[发明专利]低噪声列并行单斜式微光图像传感器模数转换器

说明书

本发明涉及CMOS集成电路领域，为实现不增加低照度下噪声的同时能够将CMS技术的量化时间缩短，且不增加额外电路模块和时序复杂度，本发明，低噪声列并行单斜式微光图像传感器模数转换器，包括比较器、计数器、斜坡发生器及输入电压判断模块，斜坡发生器通过信号控制开关，分别使正/负向斜坡输入到比较器中，比较器产生信号Comp_out，通过输入电压判断模块对信号Comp_out的判断确定输入电压V_pixel是否较低电平，通过Mode控制信号Choose_ramp的形状，从而选择输入到比较器的为正/负斜坡，同时信号Mode也控制计数器，改变计数器的计数方式。本发明主要应用于CMOS集成电路设计制造场合。

技术领域

本发明涉及CMOS集成电路领域，尤其图像传感器中的低噪声模数转换器领域。具体涉及低噪声列并行单斜式微光图像传感器模数转换器。

背景技术

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器的重要组成部分，其性能的优劣往往直接决定了图像传感器的成像质量，目前，ADC主要有三种集成方法，分别为芯片级ADC、列并行ADC和像素级ADC。

对于要应用于低噪声场景下的单斜ADC(Single Slope ADC,SS ADC)，一般采用相关多次采样(Correlated Multiple Sampling,CMS)技术来降低噪声，采样次数越多，噪声的抑制能力越强，能够提升成像质量，但也将线性增加转换时间。由此可见，转换时间和噪声之间也存在着不可避免的矛盾，在保证单斜ADC噪声性能的同时减少ADC的转换时间也成为了一个越来越重要的问题。

综上，采用CMS技术可以降低读出噪声，但也将线性增加转换时间。针对这一问题，现有的技术存在一定的局限。两步SS ADC需要将斜坡发生器的电压在模拟域或数字域暂存，需要额外电路；要设计足够的冗余以避免错锁的发生，增加了设计复杂性。条件CMS技术需要增加多余的斜坡发生器，面临斜坡发生器之间匹配的问题，也会一定程度上增加SSADC的功耗。因此，在不增加电路规模和时序复杂度的情况下提高CMS的速度是非常必要的。

SS ADC的总体架构图如图1所示，SS ADC由比较器、计数器、斜坡发生器组成，比较器用来比较输入电压与斜坡电压，并测量比较器切换前持续的时间，将输入电压转换为数字码。传统CMS技术的工作过程如图2所示。将ADC的量化过程分为复位信号阶段和采样信号阶段，在这两个阶段分别量化来自像素或PGA的复位信号和曝光信号。在CMS技术中，像素输出的复位信号和曝光信号被多次采样并求平均值，从而抑制CMOS图像传感器中的随机噪声。并通过将这两个阶段的计数结果相减来消除像素内的固定模式噪声、KT/C噪声以及ADC中比较器的响应延迟和计数器的时钟延迟等因素造成的偏移。散粒噪声取决于信号中光电子的数量，在强光下散粒噪声才是限制信噪比的关键因素。因此对于较大的输入信号，提高采样次数对噪声的抑制效果会不明显，传统的CMS技术会有一定时间的浪费。

发明内容