提供高分辨率精细增益的包含具有δ-σ调制器的小数分频器的斜坡发生器

文档序号:1802415 发布日期:2021-11-05 浏览:25次 >En<

阅读说明:本技术 提供高分辨率精细增益的包含具有δ-σ调制器的小数分频器的斜坡发生器 (Ramp generator including fractional divider with delta sigma modulator providing high resolution fine gain ) 是由 范理杭 左亮 江妮君 瞿旻 刘雪莲 于 2021-05-06 设计创作,主要内容包括:本申请案涉及一种提供高分辨率精细增益的斜坡发生器,其包含具有Δ-Σ调制器的小数分频器。一种提供具有高分辨率精细增益的斜坡信号的斜坡发生器包含电流镜,其具有传导电容器电流及响应于所述电容器电流的积分器电流的第一及第二路径。第一及第二开关电容器电路经耦合到所述第一路径。小数分频器电路经耦合以接收时钟信号以响应于可调整小数分频器比率K而产生在第一与第二状态之间振荡以控制所述第一及第二开关电容器电路的开关电容器控制信号。所述第一及第二开关电容器电路经耦合以响应于每一所述开关电容器控制信号而交替地由所述电容器电流充电及放电。积分器经耦合到所述第二路径以响应于所述积分器电流而产生所述斜坡信号。(The application relates to a ramp generator that provides high resolution fine gain, including a fractional divider with a delta-sigma modulator. A ramp generator that provides a ramp signal with high resolution fine gain includes a current mirror having first and second paths that conduct a capacitor current and an integrator current responsive to the capacitor current. First and second switched capacitor circuits are coupled to the first path. A fractional divider circuit is coupled to receive a clock signal to generate a switched capacitor control signal that oscillates between first and second states to control the first and second switched capacitor circuits in response to an adjustable fractional divider ratio K. The first and second switched capacitor circuits are coupled to be alternately charged and discharged by the capacitor current in response to each of the switched capacitor control signals. An integrator is coupled to the second path to generate the ramp signal in response to the integrator current.)

提供高分辨率精细增益的包含具有Δ-Σ调制器的小数分频 器的斜坡发生器

技术领域

本公开大体上涉及图像传感器,且特定来说(但非排他地),涉及用于图像传感器中的斜坡发生器。

背景技术

图像传感器已变得无处不在且现广泛用于数码相机、手机、摄像头及医学、汽车及其它应用中。随着图像传感器被集成到更广范围的电子装置中,期望通过装置架构设计及图像获取处理两者来以尽可能多的方式(例如分辨率、功耗、动态范围等)增强其功能性、性能度量及类似物。

典型图像传感器响应于来自外部场景的图像光入射于图像传感器上而操作。图像传感器包含具有吸收入射图像光的一部分且在吸收图像光之后光生图像电荷的光敏元件(例如光电二极管)的像素单元阵列。由像素单元光生的图像电荷可被测量为列位线上的模拟输出图像信号,其随入射图像光而变化。换句话说,所产生的图像电荷量与图像光的强度成比例,其被读出为来自列位线的模拟信号且转换成数字值以产生表示外部场景的数字图像(即,图像数据)。

发明内容

一方面,本申请案提供一种提供具有高分辨率精细增益的斜坡信号的斜坡发生器,其包括:电流镜,其具有经耦合以传导电容器电流的第一路径及经耦合以响应于所述电容器电流而传导积分器电流的第二路径;第一开关电容器电路及第二开关电容器电路,其经耦合到所述第一路径;小数分频器电路,其经耦合以接收时钟信号以响应于可调小数分频器比率K而产生在第一与第二状态之间振荡以控制所述第一及第二开关电容器电路的开关电容器控制信号,其中响应于所述开关电容器控制信号的每一第一状态,所述第一开关电容器电路经耦合以由所述电容器电流充电且所述第二开关电容器电路经耦合以放电,其中响应于所述开关电容器控制信号的每一第二状态,所述第一开关电容器电路经耦合以放电且所述第二开关电容器电路经耦合以由所述电容器电流充电;及积分器,其经耦合到所述第二路径以响应于所述积分器电流而产生所述斜坡信号。

另一方面,本申请案提供一种成像系统,其包括:像素阵列,其包含布置成多个行及多个列的多个像素电路,其中所述像素电路中的每一者经耦合以响应于入射光而产生图像信号;控制电路系统,其耦合到所述像素阵列以控制所述像素阵列的操作;及读出电路系统,其耦合到所述像素阵列以从所述多个像素单元通过位线读出所述图像数据,其中所述读出电路系统包括:列比较器,其耦合到所述位线以从所述多个像素接收所述图像数据且进一步经耦合以在模/数转换操作期间接收斜坡信号以响应性地提供所述图像数据的数字表示;及斜坡发生器,其经耦合以响应于可调小数分频器比率K而产生具有高分辨率精细增益的所述斜坡信号,所述斜坡发生器包括:电流镜,其具有经耦合以传导电容器电流的第一路径及经耦合以响应于所述电容器电流而传导积分器电流的第二路径;第一开关电容器电路及第二开关电容器电路,其经耦合到所述第一路径;小数分频器电路,其经耦合以接收时钟信号以响应于所述小数分频器比率K而产生在第一与第二状态之间振荡以控制所述第一及第二开关电容器电路的开关电容器控制信号,其中响应于所述开关电容器控制信号的每一第一状态,所述第一开关电容器电路经耦合以由所述电容器电流充电且所述第二开关电容器电路经耦合以放电,其中响应于所述开关电容器控制信号的每一第二状态,所述第一开关电容器电路经耦合以放电且所述第二开关电容器电路经耦合以由所述电容器电流充电;及积分器,其经耦合到所述第二路径以响应于所述积分器电流而产生所述斜坡信号。

附图说明

参考附图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例,其中相同元件符号指代所有各种视图中的相同部件,除非另外指定。

图1说明根据本发明的教示的包含具有读出电路系统的图像传感器的成像系统的一个实例,所述读出电路系统包含具有使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的高分辨率模拟精细增益的斜坡发生器。

图2是说明根据本发明的教示的相对于不具有使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的高分辨率模拟精细增益的斜坡发生器的实例的测量增益的理想增益的曲线图。

图3A说明根据本公开的教示的具有使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的高分辨率模拟精细增益的斜坡发生器的一个实例。

图3B说明根据本公开的教示的具有由斜坡发生器提供的可调增益设置的输出斜坡信号的一个实例,所述斜坡发生器具有使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的高分辨率模拟精细增益。

图4A展示根据本公开的教示的具有Δ-Σ调制器的小数分频器的一个实例图。

图4B展示根据本公开的教示的具有Δ-Σ调制器的小数分频器中的信号的一个实例。

图5A展示根据本公开的教示的Δ-Σ调制器的一个实例图。

图5B展示根据本公开的教示的Δ-Σ调制器关于用于减少量化噪声的高阶低通滤波的功率谱密度的一个实例图。

对应参考元件符号指示图式的所有若干视图中的对应组件。所属领域的技术人员应了解,图中的元件是为了简单且清楚而说明且不一定按比例绘制。举例来说,图中一些元件的尺寸可相对于其它元件放大以帮助促进本发明的各种实施例的理解。另外,通常未描绘在商业可行实施例中有用或必要的常见但好理解的元件以促进本发明的这些各种实施例的无障碍观看。

具体实施方式

本文描述涉及包含具有读出电路系统的图像传感器的成像系统的各个实例,读出电路系统包含具有使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的高分辨率模拟精细增益的斜坡发生器。在以下描述中,陈述众多特定细节以提供实例的详尽理解。然而,相关领域的技术人员应认识到,可不运用特定细节中的一或多者或运用其它方法、组件、材料等来实践本文中描述的技术。在其它例子中,未展示或详细描述众所周知的结构、材料或操作以免使某些方面模糊。

本说明书中参考“一个实例”或“一个实施例”意味着结合实例描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此,出现于本说明书的各个位置的短语“在一个实例中”或“在一个实施例”不一定都指代相同实例。此外,可在一或多个实例中以任何合适方式组合特定特征、结构或特性。

为了便于描述,例如“底下”、“下方”、“下”、“下面”、“上方”、“上”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“中心”、“中间”及类似物的空间相对术语在本文中可用于描述一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系,如图中说明。应理解,除图中描绘的定向之外,空间相对术语还希望涵盖装置在使用或操作中的不同定向。举例来说,如果图中的装置旋转或翻转,那么描述为在其它元件或特征“下方”或“底下”或“下面”的元件将定向成在其它元件或特征“上方”。因此,示范性术语“下方”及“下面”可涵盖上方及下方定向两者。装置可以其它方式定向(旋转90度或依其它定向)且因此解译本文中使用的空间相对描述词。另外,还应理解,当层称为“在两个层之间”时,其可为两个层之间的唯一层,或还可存在一或多个中介层。

在本说明书中,使用所属领域的若干术语。这些术语具有其所属领域的普通含义,除非本文具体定义或其使用背景另外明确暗示。应注意,元素名称及符号在本发明中可互换使用(例如Si与硅);然而,两者具有相同意义。

如将论述,公开包含读出电路系统的成像系统的实例,读出电路系统包含具有使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的高分辨率模拟精细增益的斜坡发生器。在各个实例中,应了解,在功耗或芯片面积几乎没有损失的情况下实现超高分辨率精细增益。例如,在一个实例中,根据本发明的教示,1/220的精细增益分辨率可在40nm工艺中使用约40μmx 100μm的面积及小于1mW的功耗实现。

举例说明,图1说明根据本公开的实施例的成像系统100的一个实例。成像系统100包含像素阵列102、控制电路系统110、读出电路系统106及功能逻辑108。在一个实例中,像素阵列102是包含一或多个光电二极管(例如像素P1、P2、…、Pn)的像素单元104的二维(2D)阵列。如实例中说明,像素单元104布置成行(例如行R1到Ry)及列(例如列C1到Cx)以获取个人、位置、物体等的图像数据,其接着可用于再现个人、位置、物体等的2D图像。然而,应了解,像素单元104不一定必须布置成行及列,而是可采用其它配置。

在一个实例中,控制电路系统110耦合到像素阵列102以控制像素阵列102中的多个像素单元104的操作。举例来说,控制电路系统110可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中,快门信号是全局快门信号,其用于同时启用像素阵列102内的所有像素单元104以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据。在另一实例中,快门信号是滚动快门信号,使得像素单元104的每一行、每一列或每一群组在连续获取窗期间循序启用。在另一实例中,图像获取与例如闪光等的发光效果同步。

在一个实例中,成像系统100可包含于数码相机、手机、膝上型计算机或类似物中。另外,成像系统100可耦合到其它硬件零件,例如处理器(通用或其它)、存储器元件、输出(USB端口、无线传输器、HDMI端口等)、发光/闪光、电气输入装置(键盘、触摸显示器、触控板、鼠标、麦克风等)及/或显示器。其它硬件零件可将指令递送到成像系统100,从成像系统100提取图像数据,及/或操纵由成像系统100供应的图像数据。

在一个实例中,在像素阵列102中的每一像素单元104通过图像电荷的光生获取其图像电荷之后,对应图像数据由读出电路系统106读出且接着传送到功能逻辑108。读出电路系统106可经耦合以从像素阵列102中的多个像素单元104读出图像数据。在所说明的实例中,读出电路系统106可包含模/数转换(ADC)电路系统113、放大电路系统及其它图像感测读出电路系统。在所说明的实例中,斜坡发生器114及列比较器118可经包含于读出电路系统106中。在一些实施例中,可存在用于每一读出列的列比较器118,且斜坡发生器114可经耦合以将斜坡信号VRAMP 116提供到每一列比较器118。功能逻辑108可仅耦合到读出电路系统106以存储图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵图像数据。在一个实例中,读出电路系统106可沿着位线112每次读出一行图像数据(如所说明),或可使用例如串行读出或同时全并行读出所有像素单元104的各种其它技术(未说明)来读出图像数据。

在所描绘的实例中,包含于读出电路系统106中的ADC 113是斜坡型ADC,其使用斜坡发生器114执行模/数转换以将斜坡信号VRAMP 116作为参考提供到与每一读出列相关联的列比较器118。针对斜坡型ADC,计数器(未说明)在斜坡信号VRAMP 116的斜坡开始时开始计数,且与模拟图像信号比较。在斜坡信号VRMAP 116与模拟图像信号相等的时间点,计数器的值被锁存为模拟图像信号的数字表示。

在一个实例中,为了实现具有高分辨率模/数转换的图像传感器,调整斜坡信号VRAMP 116的增益。斜坡信号VRAMP 116的增益是斜坡斜率的比率,其经定义为如下方程式(1):

因此,斜坡信号的增益等于斜坡信号在增益等于1时的斜率除以斜坡信号的斜率。换句话说,增益与斜率成反比或:

模拟粗糙增益调整可在阵列列电路中执行(例如1x、2x、4x、8x调整),而模拟精细增益调整可在斜坡发生器中执行。在斜坡发生器中执行模拟精细增益调整的一个挑战是通常仅存在可执行的有限数目个精细增益调整步阶,例如(举例来说)1/16个调整。在斜坡发生器中的此有限数目个精细增益调整步阶(例如1/16个调整)中,存在大增益误差,尤其在较高增益值下。

举例说明,图2是展示相对于上文描述的仅具有有限数目个精细增益调整步阶的斜坡发生器的实例的测量增益的理想增益的曲线图220。如图2的实例中说明,理想增益被展示为平滑对角线,而具有有限精细增益调整步阶的斜坡发生器的测量增益是具有随着增益增大而变得越来越突出的“步阶”的“阶梯”线。在具有此类有限增益步阶的斜坡发生器中,对角理想增益图与具有步阶的测量增益图之间的相对距离不相等且随着增益增大而恶化。换句话说,实际步阶222及226到理想对角线的距离不等于测量增益的点224到理想对角线的距离。因此,在测量增益图的点224处存在大增益误差。

如下文将描述,根据本发明的教示的斜坡发生器利用Δ-Σ调制器分频器来实现超高分辨率精细增益步阶。举例说明,图3A说明根据本公开的教示的具有使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的高分辨率模拟精细增益的斜坡发生器314的一个实例。应了解,图3A的斜坡发生器314可为图1中展示的图像传感器100的读出电路系统106中的斜坡发生器114的一个实例,且上文描述的类似命名及编号元件在下文类似地耦合及运行。

如所描绘的实例中说明,斜坡发生器314包含包括晶体管328及330的电流镜,晶体管328及330使其栅极端子彼此耦合,如展示。在实例中,晶体管328及330是P沟道金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。在其它实例中,应了解,其它类型的晶体管可用于实现电流镜。在实例中,晶体管328的源极端子经耦合到电压供应轨,且晶体管328的栅极及漏极端子耦合在一起。晶体管330的源极端子经耦合到电压供应轨。因而,电流镜具有耦合到晶体管328的第一电流镜路径329及耦合到晶体管330的第二电流镜路径333。在实例中,晶体管328具有与M成比例的相对沟道宽度,且晶体管330具有与N成比例的相对沟道宽度。因而,根据第一晶体管328与第二晶体管330的N/M比率,电容器电流Icap 331经传导通过第一路径329且镜像积分器电流Iinteg 335经传导通过第二路径333。

如图3A的实例中展示,第一开关电容器电路341及第二开关电容器电路343经耦合到第一路径329。第一开关电容器电路341包含如展示那样耦合的开关342、第一电容器354及开关350。第二开关电容器电路343包含如展示那样耦合的开关352、第二电容器356及开关344。

所描绘的实例还说明斜坡发生器314包含小数分频器电路336。在实例中,小数分频器电路336具有可调小数分频器比率K,根据本发明的教示,其向斜坡发生器314提供高分辨率模拟精细增益。小数分频器电路336经耦合以接收时钟信号PLL_CLK(fpll)338,其用于响应于可调小数分频器比率K而产生开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340。开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340在第一与第二状态(例如接通与关断状态或逻辑高与逻辑低状态)之间振荡以控制第一开关电容器电路341及第二开关电容器电路343的切换。在操作中,响应于开关电容器控制信号340的每一第一状态,第一开关电容器电路341经耦合以由电容器电流Icap 331充电,而第二开关电容器电路343经耦合以放电。响应于开关电容器控制信号340的每一第二状态,第一开关电容器电路341经耦合以放电,而第二开关电容器电路343经耦合以由电容器电流Icap 331充电。

在所描绘的实例中,小数分频器电路336还经耦合以产生开关电容器控制信号sc_ctrl_b(fsc)348,其在第二与第一状态(例如关断与接通状态或逻辑低与逻辑高状态)之间振荡以控制第一开关电容器电路341及第二开关电容器电路343。在一个实例中,开关电容器控制信号sc_ctrl_b(fsc)348响应于开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340而产生,使得每次仅两个信号中的一者可处于第一状态(例如接通状态)。在一个实例中,开关电容器控制信号sc_ctrl 340与开关电容器控制信号sc_ctrl_b 348彼此互补,或在另一实例中,开关电容器控制信号sc_ctrl 340与开关电容器控制信号sc_ctrl_b 348彼此异相,使得两个信号不可能同时处于第一状态。另外,开关电容器控制信号sc_ctrl 340及开关电容器控制信号sc_ctrl_b 348两者都具有相同频率fsc

因此,在图3A中描绘的实例中,开关342及344经耦合以响应于开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340处于第一状态而接通以对电容器354充电且使电容器356放电。同时,开关350及352经耦合以响应于开关电容器控制信号sc_ctrl_b(fsc)348处于第二状态而关断以能够对电容器354充电且阻止电容器356被充电。类似地,开关350及352经耦合以响应于开关电容器控制信号sc_ctrl_b(fsc)348处于第一状态而接通以使电容器354放电且对电容器356充电。同时,开关342及344经耦合以响应于开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340处于第二状态而关断以阻止电容器354被充电且能够对电容器356充电。因此,电容器354及356响应于开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340及开关电容器控制信号sc_ctrl_b(fsc)348而交替充电及放电。

在所说明的实例中,斜坡发生器314还包含运算放大器334,其具有耦合到参考电容器电压Vref_cap的非反相输入。晶体管332通过电流路径329耦合于晶体管328与第一开关电容器电路341、第二开关电容器电路343及运算放大器334的反相输入之间。晶体管332的控制端子(例如栅极)经耦合到运算放大器334的输出。因此,运算放大器334经耦合以响应于第一开关电容器电路341或第二开关电容器电路343处的电压Vcap达到参考电容器电压Vref_cap而关断晶体管332。因而,运算放大器334及晶体管332经耦合以在第一开关电容器电路341或第二开关电容器电路343处的Vcap电压完全充电到Vref_cap参考电压之后关断通过电流路径329的充电电容器电流Icap 331。

所描绘的实例还说明斜坡发生器314包含经耦合到电流路径333以响应于积分器电流Iinteg 335而产生斜坡信号VRAMP 316的积分器。在一个实例中,斜坡信号VRAMP 316经耦合以由列比较器接收,例如图1中说明的列比较器118。如图3A中说明的实例中展示,积分器包含运算放大器358,其具有耦合到参考电压Vref的非反相输入。电容器Cinteg 360经耦合于运算放大器358的反相输入与运算放大器358的输出之间。开关362经耦合于运算放大器358的反相输入与运算放大器358的输出之间。积分器经耦合以响应于闭合开关362而复位,且斜坡信号VRAMP 316的每一斜坡经耦合以在打开开关362时在运算放大器358的输出处开始。

在操作中,用使用小数分频器336的斜坡发生器314实现超高分辨率模拟精细增益,小数分频器336包含用于产生开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340及开关电容器控制信号sc_ctrl_b 348(fsc)来控制分别包含电容器354及356的开关电容器电路341及343的切换的Δ-Σ调制器。如将论述,超高分辨率模拟精细增益通过响应于根据本发明的教示调整小数分频器336的小数分频器比率K而改变电容器电流Icap 331来实现。在实例中,充电电容器电流Icap 331通过切换开关电容器电路341及343来产生。特定来说,充电电容器电流Icap331经定义为如下方程式(3):

Icap=fscC0Vcap (3)

其中开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)340及开关电容器控制信号sc_ctrl_b(fsc)348具有开关频率fsc,电容器354及356两者的电容值都等于C0,且跨开关电容器电路的电容器354及356的电压是Vcap。由于通过路径329的电流Icap 331使用电流镜镜像到路径333,所以积分器电流Iinteg 335经定义为如下方程式(4):

其中N表示晶体管330的相对通道宽度,M表示晶体管328的相对通道宽度,fpll是由小数分频器336接收的锁相环路时钟信号(PLL_CLK)338的频率,且K是小数分频器电路336的可调小数分频器比率。

假定Vcap、C0、N及M是恒定的,那么超高分辨率精细增益由斜坡发生器电路314通过调整小数分频器比率K来实现。因而,斜坡发生器电路314的增益由方程式(5)的关系定义:

因此,假定例如小数分频器比率K=8提供等于1的精细增益,那么小数分频器比率K=16将根据方程式(5)提供16/8=2的增益。类似地,11/32的增益是在K=8.25下提供,因为8.25/8=11/32,12/32是在K=8.5下提供,因为8.5/8=12/32,以此类推。因此,超高分辨率精细增益由斜坡发生器电路314通过根据本发明的教示调整小数分频器比率K来实现。

图3B说明根据本公开的教示的小数分频器比率K设置是针对其进行调整以在使用具有Δ-Σ调制器的小数分频器的斜坡发生器中实现高分辨率模拟精细增益的输出斜坡信号VRAMP 316的一个实例。如上文在方程式(2)中论述,增益与斜率成反比。因此,斜坡信号316-2的增益是斜坡信号316-1的增益的两倍,因为斜坡信号316-2的斜率是斜坡信号316-1的斜率的0.5倍。根据本发明的教示,在其中小数分频器比率K=8的实例中,提供等于1的精细增益以提供斜坡信号316-1,接着在所述实例中,将K调整到K=16以提供具有等于2的精细增益或0.5倍的斜率的斜坡信号316-2。

图4A展示根据本公开的教示的具有Δ-Σ调制器的小数分频器436的一个实例图。应了解,图4A的小数分频器436可为图3A中展示的小数分频器336的一个实例,且上文描述的类似命名及编号元件在下文类似地耦合及运行。在图4A中描绘的实例中,小数分频器436包含可编程整数分频器464,其经耦合以接收时钟信号PLL_CLK(fpll)438及输出整数信号P<7:0>468。在操作中,可编程整数分频器464经耦合以响应于输出整数信号P<7:0>468而使时钟信号PLL_CLK(fpll)438除以一因数以产生开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440。Δ-Σ调制器466经耦合以接收小数模量信号dsm_frac<19:0>472及输入整数信号dsm_integ<6:0>470以产生输出整数信号P<7:0>468。在实例中,由Δ-Σ调制器466产生的输出整数信号P<7:0>468是随时间具有基本上等于小数分频器比率K的长期平均DC值的开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一循环不同信号。

在操作中,由斜坡发生器314提供的高分辨率精细增益是响应于上文根据本发明的教示关于方程式(5)描述的小数分频器比率K。如下文将更详细描述,在一个实例中,包含于Δ-Σ调制器466中的累加器是级联20位溢出累加器。因此,小数分频器比率K可使用方程式(6)定义如下:

其中Pavg是其长期DC平均值是小数分频器比率K的整数,dsm_integ<6:0>是输入整数信号,且dsm_frac<19:0>是小数模量信号。因此,开关电容器控制信号sc_ctrl 440的长期平均频率fsc,avg可使用方程式(7)定义如下:

其中fpll是时钟信号PLL_CLK 438的切换频率。

继续图4A中描绘的实例,可编程整数分频器464包含可编程计数器474,其经耦合以接收时钟信号PLL_CLK(fpll)438及来自Δ-Σ调制器466的输出整数信号P<7:0>468以产生可编程计数器输出信号PCNT 475。在实例中,可编程计数器输出信号PCNT 475包含多个短脉冲。脉宽扩展器476经耦合以接收可编程计数器输出信号PCNT 475以产生开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440,如上文描述,开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440用于控制图3A中的开关电容器电路341及343。在操作中,脉宽扩展器476经配置以将可编程计数器输出信号PCNT 475的多个短脉冲中的每一者扩展到用于开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一第一状态(例如每一逻辑高状态)的固定持续时间,而开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一第二状态(例如每一逻辑低状态)具有可变持续时间。

举例说明,图4B展示根据本公开的教示的具有Δ-Σ调制器466的小数分频器436中所见的信号的一个实例。如图4B中展示,时钟信号PLL_CLK(fpll)438是短脉冲的高频脉冲序列。由Δ-Σ调制器466产生的输出整数信号P<7:0>468是在开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一循环不同的整数值。输出整数信号P<7:0>468的随时间长期平均DC值基本上等于小数分频器比率K。可编程计数器输出信号PCNT 475是多个短脉冲,在所说明的实例中,其具有等于时钟信号PLL_CLK(fpll)438的1个输入时钟循环的脉宽。开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440由脉宽扩展器476响应于可编程计数器输出信号PCNT 475而产生。在实例中,脉宽扩展器476将可编程计数器输出信号PCNT 475的每一短脉冲扩展到特定固定‘1’脉宽。

应了解,开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一脉冲的固定‘1’脉宽的一个关键考虑是维持良好线性度且确保图3A中的开关电容器电路341及343的各自电容器354及356可在开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一‘1’脉冲的每一固定脉宽内都被完全充电及在开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一‘0’脉冲的每一非固定或可变脉宽内被完全放电。

在各个实例中,由小数分频器436产生的开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440具有偏斜占空比,同时维持固定宽度‘1’脉冲及非固定或可变脉宽‘0’脉冲,如图4B中展示。因此,在各个实例中,每一周期开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的最小周期是固定‘1’脉宽的宽度的至少两倍。换句话说,在一个实例中,开关电容器控制信号sc_ctrl(fsc)440的每一周期的最大占空比是50%。

图5A展示根据本公开的教示的Δ-Σ调制器566的一个实例图。应了解,图5A的Δ-Σ调制器566可为图4A的Δ-Σ调制器466或图3A的小数分频器336中包含的Δ-Σ调制器的一个实例,且上文描述的类似命名及编号元件在下文类似地耦合及运行。应了解,图5A中说明的Δ-Σ调制器566是具有抖动的包含三个级联溢出累加器的3阶多级噪声整形(MASH)Δ-Σ调制器的实例,级联溢出累加器中的每一者等效于1阶Δ-Σ调制器。在实例中,进位输出通过所展示的求和及z变换功能块或延迟组合以产生输出整数信号P<7:0>568,其是具有随时间基本上等于小数分频器比率K的长期平均DC值的伪随机序列。在其它实例中,应了解,Δ-Σ调制器566可使用根据本发明的教示的其它合适Δ-Σ或Σ-Δ调制器结构实施。

如图5A中说明的实例中展示,Δ-Σ调制器566包含第一累加器578-1,其具有经耦合以接收小数模量信号dsm_frac<19:0>570(其在图5A中还称为“k”)的第一输入A及经耦合以通过第一z变换功能块580-1接收第一累加器578-1的输出A+B的第二输入B。第二累加器578-2包含经耦合以接收第一累加器578-1的输出A+B的第一输入A及经耦合以通过第二z变换功能块580-2接收第二累加器578-2的输出A+B的第二输入B。第三累加器578-3包含经耦合以接收第二累加器578-2的输出A+B的第一输入A及经耦合以通过第三z变换功能块580-3接收第三累加器578-3的输出A+B的第二输入B。第一求和块582-1经耦合以加上第二累加器578-2的进位输出c2[n]、加上第三累加器578-3的进位输出c2[3]及减去耦合到第三累加器578-3的进位输出c3[n]的第四z变换功能块580-4的输出。第二求和块582-2经耦合以加上第一累加器578-1的进位输出c1[n]、加上第一求和块582-1的输出及减去耦合到第一求和块582-1的输出的第五z变换功能块580-5的输出。第三求和块582-3经耦合以将输入整数信号dsm_integ<6:0>(其在图5A中还称为“N”)加到第二求和块582-2的输出以产生输出整数信号P<7:0>。

在操作中,Δ-Σ调制器566的每一级抵消前一级的量化噪声ex[n]。因此,剩余e3[n]量化噪声是Δ-Σ调制器566的量化噪声,其通过由图5A中展示的三级Δ-Σ调制器566实例提供的三阶高通滤波来整形。应注意,由第二z变换块580-2输出到第二累加器578-2的B输入的Δ[n]抖动是由二阶高通整形的1位伪随机二进制序列(PRBS)抖动噪声。因此,还应注意,第三求和块582-3的输入dN可使用方程式(8)特性化如下:

dN=k+e3[n](1-z-1)3+Δ[n](1-z-1)2 (8)

其中dN表示第二求和块582-2的输出,k表示第一累加器578-1的输入A,且Δ[n]表示从第二z变换块580-2输出的抖动。

图5B展示根据本公开的教示的Δ-Σ调制器566输出关于减少量化噪声的效果的所提供的高阶低通滤波的功率谱密度(PSD)的一个实例图。特定来说,图5B左侧的曲线图展示Δ-Σ调制器566的输出的功率谱密度在奈奎斯特(Nyquist)频率附近具有峰值能量,奈奎斯特频率约为取样频率的一半或fs/2。应了解,量化噪声将影响图像传感器的行时间噪声(RTN)。然而,根据本发明的教示的Δ-Σ调制器566使量化噪声整形,使得多数量化噪声被推到较高频区域,如图5B的曲线图左侧中展示。另外,根据本发明的教示的成像系统实例具有多个极(例如开关电容器电路、电流镜、斜坡缓冲器运算放大器、比较器等),其用作(至少)4阶低通滤波以帮助减小噪声的效果,如图5B右侧上的曲线图中说明。如说明,高阶低通滤波减小量化噪声的效果,因为根据本发明的教示,多数量化噪声被推到较高频区域。

本发明所说明的实例的上文描述(包含说明书摘要中描述的内容)不希望具穷举性或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的而描述了本发明的具体实例,但相关领域的技术人员应认识到,各种修改可在本发明的范围内。

可鉴于上文详细描述来对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的具体实例。实情是,本发明的范围将完全由根据权利要求解译的公认理论来解释的所附权利要求书确定。

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