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淺談圖像傳感器中的SS ADC

時(shí)間：2021-11-11 14:10:43
關(guān)鍵字： ADC    圖像傳感器    傳感器中   
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[導(dǎo)讀]???本文主要介紹手機(jī)用圖像傳感器中的SS-ADC技術(shù)（single-slope?analog-to-digitalconverter，單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。?ADC基本功能介紹ADC的作用顧名思義--將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。對(duì)圖像傳感器而言，入射光子在photo?diode中發(fā)...

本文主要介紹手機(jī)用圖像傳感器中的SS-ADC技術(shù)（single-slope analog-to-digital converter，單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。





ADC基本功能介紹




ADC的作用顧名思義--將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。


對(duì)圖像傳感器而言，入射光子在photo diode中發(fā)生光電轉(zhuǎn)換,成為模擬電信號(hào)，模擬信號(hào)再經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。




圖1是cmos image sensor(以下簡(jiǎn)稱CIS)的基本架構(gòu)圖。Pixel array產(chǎn)生的模擬信號(hào)串行通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。并且每一列pixel都會(huì)共享一個(gè)ADC。




圖1column parallel ADC CIS 基本架構(gòu)



從實(shí)現(xiàn)方法而言,ADC有多種類型:逐次逼近型、積分型、壓頻變換型、∑-Δ型ADC,等。


SS-ADC（single slope ADC）屬于逐次逼近型，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用面積小、功耗低的特點(diǎn)被廣泛使用在CIS中。




SS-ADC工作原理



SS-ADC的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D-to-A Rampgenerator）、比較器、digital counter、存儲(chǔ)器RAM。



圖2 SS-ADC基本結(jié)構(gòu)



Digital counter的輸出信號(hào)傳送給ramp generator，ramp的值會(huì)隨著counter的增加而單調(diào)增大；ramp的輸出連接到比較器的'＋'輸入端。Pixel的輸出信號(hào)與ramp的電壓不斷進(jìn)行比較，當(dāng)pixel信號(hào)值和ramp的輸出信號(hào)相等時(shí)，比較器被觸發(fā)轉(zhuǎn)換到輸出狀態(tài)。這樣，pixel的模擬信號(hào)就被表征為digital counter的數(shù)字信號(hào)，數(shù)值被鎖存在n-bit RAM中，如圖3所示。




因?yàn)樗辛械腁D轉(zhuǎn)換都需要在一個(gè)ADC周期內(nèi)完成，RAMP值會(huì)繼續(xù)增加，直到counter達(dá)到最大值‘11...11’,一整排的column模擬信號(hào)全部被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，鎖存在RAM 1到RAM k中，等待讀出電路將數(shù)值讀出。


SS-ADC缺點(diǎn)和解決方案




SS-ADC最大缺點(diǎn)是速度慢，特別是bit位寬增加時(shí)。Digital counter必須從最小值遍歷到最大值，當(dāng)bit位寬增加時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)隨之增加。比如ADC clockf=100MHz,8bit時(shí)需要轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.256us，10bit時(shí)1.02us, 12bit時(shí)為8.2us。


Multi-slope ADC和Mulit-ramp ADC在一定程度上可以改善速度問(wèn)題。


Multi-slope ADC


如上所述SS-ADC的轉(zhuǎn)換速度是由ramp的速度決定的，從最小遍歷到最大（10bit為例，從0到1023）。當(dāng)ADC的采樣分辨率高，ADC精度變高，但是速度會(huì)變慢?？梢钥紤]犧牲一部分噪聲特性來(lái)提高ADC的速度。


亮光時(shí)，CIS主要是shot noise占主導(dǎo)，SNR約等于信號(hào)的平方根。因此在亮光環(huán)境，ADC的量化噪聲可以適當(dāng)放松，可以考慮適當(dāng)RAMP的step（減小采樣分辨率），量化噪聲增大。


暗光時(shí)，CIS的噪聲主要是來(lái)自read noise，暗光時(shí)，為了減小量化噪聲對(duì)畫質(zhì)影響，維持ADC的高采樣分辨率，量化噪聲小。


利用multi-slope ADC，可以維持一定SNR的基礎(chǔ)上加快ADC速度。


Multi-Ramp ADC


Multi-Ramp SS-ADC的原理類似于二分法。例如先用最高2位（4段）選擇信號(hào)在下面4個(gè)的哪個(gè)區(qū)間00…0 ~ 01…0，01…0 ~ 10…0,  10…0 ~ 11…0,  11…0 ~ 11…1。然后在每個(gè)區(qū)間內(nèi)再進(jìn)行高采樣轉(zhuǎn)換。通過(guò)這樣的方法，轉(zhuǎn)換時(shí)間減小為原來(lái)的1/4。




Multi-Ramp ADC這種方法也有缺陷。4個(gè)ramp會(huì)有不同的offset；并且對(duì)于不同的區(qū)間，offset帶來(lái)的影響不一樣。


總結(jié)：SS-ADC因其電路簡(jiǎn)單、面積小、功耗低被廣泛應(yīng)用于商用cmos圖像傳感器中，它的工作原理限制了其轉(zhuǎn)換速度、精度與分辨率。








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