一种用于CMOS图像传感器的高精度DAC

摘要

本发明提供一种用于CMOS图像传感器的高精度DAC，包括分离设置的M位高位转换和(K‑M)位低位转换，以及高位高参考输出缓冲和高位低参考输出缓冲；M位高位转换输出端提供2

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器，具体为一种用于CMOS图像传感器的高精度DAC。

背景技术

近年来，随着CMOS制造工艺的不断发展，其成本低、速度快、可片上集成图像处理单元、抗辐照能力强、功耗低等优点逐渐体现，成像质量也稳步提升，在民用电子消费市场，如高清摄像机、单反相机、手机等领域已经取代CCD，占据着主流地位。其应用场合也开始由民用市场向航空航天领域扩展，国内的一些科研机构已经开始尝试使用大面阵CMOS探测器取代传统的线阵CCD，作为空间探测的主探测器。

针对以列级读出方式为主的超大面阵CMOS图像传感器，由于相关双采样、可编程增益放大器、列缓冲、输出缓冲以及A/D转换器等处理模块都存在不同的失调电压，导致最终图像信号的固定图形噪声。在工艺实现时，由于尺寸与掺杂的不一致等因素使得每列读出链路的失调电压不同，对于超大面阵的图像传感器，由于列读出链路在空间上的距离很远，导致不一致程度更大，失调电压相差越大，对于相同强度的光照，像元阵列产生图像电压信号相同，然而，该电压信号需要经过读出链路处理后，反映光强的电压信号融入了读出链路失调电压的叠加。

对于失调电压为正的列读出链路，其对应列的图像比实际的亮，而对于失调电压为负的列读出链路，其对应列的图像比实际的暗。人眼对列方向的非常敏感，研究表明，列FPN造成的主观视觉影响是相同量级像素FPN的5倍。因此为了提高传感器系统的成像质量，必须对列级固定图形噪声进行校正。一般可以采用可配置DAC技术实现，但是为了实现全像素的黑电平校正、通道间与列级间的固定图形噪声校正，需要用到多个DAC，严重加重了面积与功耗开销。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于CMOS图像传感器的高精度DAC，面积小，功耗低，电压平稳，能够确保CMOS图像传感器的黑电平校正与列固定图形噪声校正的均匀性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于CMOS图像传感器的高精度DAC，包括分离设置的M位高位转换和(K-M)位低位转换，以及高位高参考输出缓冲和高位低参考输出缓冲；

M位高位转换输出端提供2^K个区间的高参考输出和低参考输出，每个区间的高参考输出和低参考输出通过对应的高位高参考输出缓冲和高位低参考输出缓冲分别接到低位转换的模拟参考端提供模拟参考电压，低位转换后的输出为最终的模拟输出。

优选的，M位高位转换位于DAC的全局单元中，(K-M)位低位转换位于DAC的读出电路的各通道中。

优选的，高位高参考输出缓冲和高位低参考输出缓冲的两端分别通过切换开关与M位高位转换和(K-M)位低位转换连接。

优选的，所述的切换开关包括八个开关；

M位高位转换输出端的高参考输出依次经第一开关、高位高参考输出缓冲和第五开关连接到(K-M)位低位转换的高压模拟参考端；

M位高位转换输出端的高参考输出依次经第三开关、高位低参考输出缓冲和第六开关连接到(K-M)位低位转换的高压模拟参考端；

M位高位转换输出端的低参考输出依次经第四开关、高位低参考输出缓冲和第八开关连接到(K-M)位低位转换的低压模拟参考端；

M位高位转换输出端的低参考输出依次经第二开关、高位高参考输出缓冲和第八开关连接到(K-M)位低位转换的低压模拟参考端。

进一步，在第一个高位区间，第四开关与第八开关导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第一开关与第五开关导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端；第二开关、第六开关、第三开关与第七开关均断开；

在第二个高位区间，第二开关与第七开关导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第三开关与第六开关导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端，第一开关、第五开关、第四开关与第八开关均断开；

在第三个高位区间，与第一个高位区间相同，第四开关与第八开关导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第一开关与第五开关导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端；第二开关、第六开关、第三开关与第七开关均断开；

在第四个高位区间，与第二个高位区间相同，第二开关与第七开关导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第三开关与第六开关导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端，第一开关、第五开关、第四开关与第八开关均断开；

如此重复动作，完成整个DAC的转换，最终实现高低位无缝切换。

优选的，M位高位转换包括第一译码器和由2^M个电阻串联构成的M位转换，第一译码器根据输入的M位数字码D₀、D₁、……D_M选通相应的参考区间，每个区间对应高位M位转换的一个LSB；

其中，总的模拟量化区间是(V_T-V_B)，则高位转换的LSB＝(V_T-V_B)/2^M，即输出的高低电压为某一电阻的上下两端电压。

优选的，(K-M)位低位转换包括第二译码器和由2^(K-M)个电阻串联构成(K-M)位转换，第二译码器根据输入的(K-M)位数字码D_(M-1)、D_(M-2)、……D_K选通相应的参考电压输出，低位转换的LSB即为整个DAC的LSB＝(V_TL-V_B)/2^K。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于CMOS图像传感器的高精度DAC，通过高低位分段DAC设计技术，实现了多通道高精度DAC的面积和功耗开销优化；通过高位切换过程中的同步信号链路切换技术，消除了高低位切换过程中的电压突变问题，解决了高精度DAC的非单调问题，确保了CMOS图像传感器的黑电平校正与列固定图形噪声校正的均匀性。

附图说明

图1是本发明提出的用于大面阵CMOS图像传感器的高精度DAC基本结构。

图2是本发明提出的用于大面阵CMOS图像传感器的高精度DAC具体结构。

图3是传统DAC高低位切换过程中的电压跳变示意图。

图4是本发明的高精度DAC高低位无缝切换过程示意图。

图5是本发明的一种实现实例。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明一种用于CMOS图像传感器的高精度DAC，包括M位高位转换、(K-M)低位转换，高位高参考输出缓冲、高位低参考输出缓冲以及切换开关；高位转换输出端提供2^K个区间的高参考输出和低参考输出，每个区间的高参考输出和低参考输出通过对应的缓冲接到低位转换的模拟参考端，低位转换后的输出为最终的模拟输出。

对于K位DAC，为了降低多通道CMOS图像传感器的面积开销，分为M位高位转换和(K-M)低位转换，且高位转换位于全局单元中，低位转换位于读出电路的各通道中。M位高位转换为(K-M)低位转换提供模拟参考电压。

针对大面阵CMOS图像传感器信号路径上的寄生与干扰，M位高位转换的高参考输出和低参考输出采用模拟缓冲传递到低位转换单元。

M位高位转换的高参考输出和低参考输出与模拟缓冲采用开关控制方式实现，在区间切换的过程中，参考电压与缓冲实现联动的切换方式。

具体内容为：

针对多通道奇偶列的校正方案：由于多通道奇偶列涉及的DAC数目较多，如果采用列级布局方式，面积开销会非常大，且功耗较大。本发明采用高低位分离技术，将高位转换放置于全局单元中，仅将低位转换放置于列级读出电路中，这样可以大大减小面积开销，又为功耗优化提供了技术手段。同时，为了实现列级校正，可以在每个通道设置两个DAC，一个用于奇数列的校正，一个用于偶数列的校正。如图2所示，10为高位转换单元，40为低位转换单元。

针对高低位切换的改进方案：图2中20和30为高位转换输出的高低模拟参考电压缓冲器，由于20与30等信号路径上固有的失调不一致性，导致在每次高位切换时存在电压突变的问题，如图3所示。为了解决该问题，本发明提出通过开关切换信号路径，使得每次电压切换时，信号路径不变，从而降低了失调不一致引起的电压突变。具体过程为：在第一个高位区间，第四开关70与第八开关110导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第一开关50与第五开关90导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端；第二开关60、第六开关100、第三开关80与第七开关120均断开；在第二个高位区间，第二开关60与第七开关120导通，将高位转换输出的低模拟参考电压(实际上也是第一个高位区间的高参考电压)送至低位转换的低参考端，第三开关80与第六开关100导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端，第一开关50、第五开关90、第四开关70与第八开关110均断开；在第三个高位区间，与第一个高位区间相同，第四开关70与第八开关110导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第一开关50与第五开关90导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端；第二开关60、第六开关100、第三开关80与第七开关120均断开；在第四个高位区间，与第二个高位区间相同，第二开关60与第七开关120导通，将高位转换输出的低模拟参考电压(实际上也是第一个高位区间的高参考电压)送至低位转换的低参考端，第三开关80与第六开关100导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端，第一开关50、第五开关90、第四开关70与第八开关110均断开；如此重复动作，完成整个DAC的转换。最终实现如图4所示的高低位无缝切换。

基于本发明的思路，图5为一种具体的实现实例，实例以单通道为例进行说明，实际中可能会根据面阵的规模划分多个通道。在单通道设计中，可分为奇数列和偶数列的DAC校正，以下以奇数列的DAC设计为例进行说明，对于偶数列的DAC设计与此类似。

实例中DAC的转换精度为K位，其中高位为M位，低位为(K-M)位。高位的M位转换通过2^M个电阻串联构成，低位由2^(K-M)个电阻串联构成，可见这种方式将电阻数由2K个下降为2^M+2^(K-M)个，如果转换精度为12，高位为5位，低位为7位，则总的电阻数可由4096下降为160，极大的降低了面积开销。

第一译码器10根据输入的M位数字码(D₀、D₁、……D_M)选通相应的参考区间，每个区间对应高位M位转换的一个LSB，假设总的模拟量化区间是(V_T-V_B)，则高位转换的LSB＝(V_T-V_B)/2^M，即输出的高低电压为某一电阻的上下两端电压。

低位转换与高位类似，第二译码器40根据输入的(K-M)位数字码(D_(M-1)、D_(M-2)、……D_K)选通相应的参考电压输出，低位转换的LSB即为整个DAC的LSB＝(V_TL-V_B)/2^K。

实例中，通过第一缓冲器20和第二缓冲器30将高位转换的高电压参考与低电压参考送至低位转换，由于第一缓冲器20和第二缓冲器30存在固有的失调不一致性问题，采用开关切换信号路径方式，实现高低位无缝切换。具体实现过程为：在第一个高位区间，第四开关70与第八开关110导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第一开关50与第五开关90导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端；第二开关60、第六开关100、第三开关80与第七开关120均断开；在第二个高位区间，第二开关60与第七开关120导通，将高位转换输出的低模拟参考电压(实际上也是第一个高位区间的高参考电压)送至低位转换的低参考端，第三开关80与第六开关100导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端，第一开关50、第五开关90、第四开关70与第八开关110均断开；在第三个高位区间，与第一个高位区间相同，第四开关70与第八开关110导通，将高位转换输出的低模拟参考电压送至低位转换的低参考端，第一开关50与第五开关90导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端；第二开关60、第六开关100、第三开关80与第七开关120均断开；在第四个高位区间，与第二个高位区间相同，第二开关60与第七开关120导通，将高位转换输出的低模拟参考电压(实际上也是第一个高位区间的高参考电压)送至低位转换的低参考端，第三开关80与第六开关100导通，将高位转换输出的高模拟参考电压送至低位转换的高参考端，第一开关50、第五开关90、第四开关70与第八开关110均断开；如此重复动作，完成整个DAC的转换。