用于斜坡模数转换的采样保持读出系统和方法与流程

1.本公开涉及用于斜坡模数转换的采样保持读出系统和方法，尤其涉及一种采样保持电路和一种用于将光学阵列样本转换为数字表示的采样保持方法。


背景技术：

2.光学传感器由存储由曝光确定的电荷量的单元或像素组成。图像由暴露于来自场景的光的像素阵列形成。为了读取所产生的图像，需要读出存储在像素阵列上的电荷。常用方法是通过允许每个像素对诸如电容器的器件充电，然后使用模数转换器或adc转换电容器的电压来对每个像素进行采样。从模拟到数字转换的常用技术是使用斜坡adc。斜坡adc是将待转换的电压提供给比较器的输入端的adc。另一个比较器输入端由数模转换器馈送，该数模转换器由计数器数字驱动。计数器计数，直至比较器跳闸。当比较器跳闸时，计数器停止，计数器的值被保存为被转换的电压的数字等效表示。该系统的简化表示如图1所示。
3.图1是光学阵列感测和读出电子器件的现有技术框图。它示出了电耦接至采样保持电路120的光学阵列输出端。采样保持电路电耦接至比较器(comp)。比较器还具有电耦接至斜坡缓冲器(ramp_buf)的输入，数模转换器(未示出)的缓冲输出。当比较器触发时(两个输入相等)，驱动数模转换器的计数器的值被存储在存储器(asram)中。比较器电容器110通过被称为dcpmp_rst的控件的断言(assertion)进行放电或复位。
4.图2是图1的采样保持电路的示意图。图2示出了两个相同的分支电路，从而可以以流水线方式读取和转换像素。
5.图3为图2的电路的时序图，可用于理解发生在采样保持电路中的采样保持过程。时序从闭合sw1、断开sw2(t1)开始，以便只有电路的上半部分连接至输入端。在时间t1，rst2也被断言。电容器210经由开关shr1连接至vin，以对第1行的复位值(r1)进行采样。电荷保持在电容器210中，直至电荷被读出和转换。断开开关shr1，然后在(t2)闭合shs1，将212连接至输入端vin，以对第1行的信号值(s1)进行采样。当sw1断开时(t3)，连接至shr1和shs1的两个电容器210和212保持第1行的像素复位和信号。第1行像素的adc转换从rst1脉冲(t4)开始，以清除顶部分支中的采样节点。同样在t4，闭合sw2，开始r(2)的采样。在源极跟随器配置中，再次闭合shr1以将电容器210连接至fet q220的栅极。通过对dac的数字输入进行计数来保持和转换复位值。当dac的输出等于样本值时，存储像素值。对于连接至sw2的底部电路来说，情况正好相反。当闭合s1，断开s2，并且214和216处于它们各自的保持状态时，转换在先前采样阶段获取的样本，如递减计数r0和递增计数s0所示。当断开s1时，闭合s2(t3)，并对接下来的两个像素进行采样。遵循用于像素信号的相同读出序列，从rst1脉冲(t5)开始，以清除顶部分支中的采样节点。闭合shs2开关(t6)以将电容器212连接至源极跟随器q220。
6.各自依次驱动其各自的晶体管220和222的上部电路和下部电路均被配置为驱动输出的源极跟随器。因此，连接至sw1和sw2的两个电路以这样的方式执行采样和保持，即一个电路采样，而另一个电路保持并读出结果。它们均有各自的能够驱动输出的源极跟随器。
7.前述例子示出了两个采样保持分支，每个分支具有一个用于shr信号的采样保持电容器以及一个用于shs信号的采样保持电容器。两个采样保持分支以流水线模式操作：一个分支对一个信道的信号采样，而另一个分支将另一个信道的信号输出到adc进行转换。该方法的缺点是需要很大面积的芯片空间。而且也容易发生一个分支中的shr和shs采样保持电容器210和212与另一个分支中的214和216之间的错配。样本通过不同的晶体管220和222驱动，每个晶体管均被配置为源极跟随器放大器。附加的电子器件需要更多的电力才能运行。


技术实现要素：

8.在实施例中，采样保持电路用于在三个阶段对光学阵列的样本进行采样和保持。保持阶段是通过利用电容器电压来驱动放大器的输入端来传输带电的采样保持电容器的值的阶段。放大器的输出端驱动斜坡adc的输入端。在保持阶段完成后，将放大器的输入端切换到光学阵列输出端以开始跟踪阶段。放大器的输出端还电耦接至采样保持电容器，该采样保持电容器开始将电容器充电到新的光学阵列输入。跟踪阶段之后是采样阶段，其中采样保持电容器电连接至光学阵列输出端，并且放大器输出端连接至adc的输入端。在实施例中，放大器是具有零阈值电压的基于场效应晶体管的源极跟随器。
9.第一方面，本公开的实施例提供一种采样保持电路，包括：
10.从光学阵列的输出端至所述采样保持电路的输入端；
11.第一开关，所述第一开关电耦接在所述光学阵列的所述输出端与采样保持电容器之间；
12.第二开关，所述第二开关用于将放大器的输入端电耦接至以下各项中的一个：
13.(a)所述采样保持电容器；或
14.(b)所述光学阵列的所述输入端；
15.第三开关，所述第三开关用于将所述放大器的输出端电耦接至所述采样保持电容器；和
16.第四开关，所述第四开关用于将所述放大器的所述输出端电耦接至所述采样保持电路的输出端。
17.在一些实施例中，所述放大器电路包括具有零阈值电压的场效应晶体管(fet)。
18.在一些实施例中，所述放大器还包括源极跟随器。
19.在一些实施例中，所述采样保持电路的所述输出端电耦接至模数转换器(adc)。
20.在一些实施例中，所述adc包括比较器。
21.在一些实施例中，所述adc还包括耦合电容器，所述耦合电容器一端电耦接至所述比较器的第一输入端，并且所述电容器另一端电耦接至所述采样保持电路的所述输出端。
22.在一些实施例中，所述adc还包括用于复位所述电容器的第五开关。
23.在一些实施例中，所述adc还包括电耦接至所述比较器的第二输入端的斜坡发生器。
24.在一些实施例中，所述斜坡发生器包括数模转换器(dac)。
25.在一些实施例中，所述斜坡发生器还包括电耦接至所述dac的数字输入端的计数器。
26.第一方面，本公开的实施例提供一种采样保持电路，包括：
27.从光学阵列的输出端到所述采样保持电路的输入端；
28.第一开关，其在所述开关的一端电耦接至所述光学阵列的所述输出端，在所述开关的另一端电耦接至公共点；第二开关，其在所述开关的一端电耦接至所述公共点，且所述开关的另一端电耦接至采样保持电容器；第三开关，其在所述开关的一端电耦接至所述公共点，在所述开关的另一端电耦接至地；
29.第四开关，所述第四开关作为将放大器的输入端电耦接至以下各项中的一个的装备：
30.(a)所述采样保持电容器
31.(b)所述光学阵列的所述输出端
32.第五开关，所述第五开关作为将所述放大器的输出端电耦接至所述采样保持电容器的装备；
33.第六开关，所述第六开关作为将所述放大器电耦接至所述采样保持电路的输出端的装备。
34.第三方面，本公开实施例提供一种用于将光学阵列样本转换为数字表示的采样保持方法，包括：
35.在保持阶段，配置第一开关，使得采样保持电容器不电连接至光学阵列的输出；配置第二开关，使得放大器的输入电耦接至所述采样保持电容器；配置第三开关，使得所述放大器的输出不电耦接至所述采样保持电容器；配置第四开关，使得所述放大器的所述输出连接至所述采样保持电路的输出；
36.在跟踪阶段，配置所述第一开关，使得所述采样保持电容器不电耦接至所述光学阵列的所述输出；配置所述第二开关，使得所述放大器的所述输入电耦接至所述光学阵列的所述输出；配置所述第三开关，使得所述放大器的所述输出电耦接至所述采样保持电容器；以及配置所述第四开关，使得所述放大器的所述输出不电耦接至所述采样保持电路的所述输出；
37.在采样阶段，配置所述第一开关，使得所述采样保持电容器电耦接至所述光学阵列的所述输出；配置所述第二开关，使得所述放大器的所述输入电耦接至所述采样保持电容器；配置所述第三开关，使得所述放大器的所述输出不电耦接至所述采样保持电容器；配置所述第四开关，使得所述放大器的所述输出电耦接至所述采样保持电路的所述输出。
38.在一些实施例中，所述保持阶段还包括将所述采样保持电路的所述输出转换为数字表示。
39.在一些实施例中，将所述采样保持电路的所述输出转换为所述数字表示包括将所述输出与数模转换器(dac)的输出进行比较。
40.在一些实施例中，所述的采样保持方法还包括通过计数器来驱动所述dac，所述计数器使所述dac的所述输出斜变，直至所述dac的所述输出等于所述采样保持电路的所述输出。
41.在一些实施例中，当所述dac的所述输出等于所述采样保持电路的所述输出时，将所述计数器的值作为所述采样保持电路的所述输出的数字表示存储在存储器中。
附图说明
42.图1为光学阵列感测和读出电子器件的现有技术框图。
43.图2为图1的采样保持电路的示意图。
44.图3为图2的电路的时序图。
45.图4a为实施例中无流水线的采样保持电路中的转换时间的时序图。
46.图4b为实施例中使用流水线的采样保持电路中的转换时间的时序图。
47.图5a为采样保持电路的实施例。
48.图5b为用于图5a中的电路的时序图。
49.图6为图5a的采样保持电路的模型。
50.图7示出了图6的电路模型的模拟输出。
51.图8a示出了保持阶段期间的采样保持电路的实施例。
52.图8b示出了跟踪阶段期间的图8a的采样保持电路。
53.图8c示出了采样阶段期间的图8a的采样保持电路。
54.图9示出了用于图8a、8b和8c的电路的时序图。
55.图10示出了用于图8a、8b和8c中的电路的模拟输出。
56.图11示出了用于具有和不具有跟踪阶段的图8a、8b和8c中的电路的模拟。
57.图12示出了具有“t”开关的采样保持电路。
具体实施方式
58.图4a为无流水线的采样保持电路中的转换时间的时序图。它示出了转换两个连续像素的时序，这两个连续像素将被称为shr和shs。示出了无流水线的采样保持和转换的时序。时序以持续时间段t
rst
的rst脉冲或复位开始。然后对shr信号进行采样，这需要稳定时间t
shr_稳定
，然后通过将shr信号与由计数器驱动的持续t
shr_计数
的时间段的dac进行比较，从而将其进行转换。在计数时间段结束时，shr的转换完成，并在t
tx
的时间段内对tx电荷转移脉冲断言。在tx脉冲之后，shs信号需要在t
shs_稳定
的时间段内稳定。当信号完全稳定时，发生转换，其中将其与由计数器驱动的dac输出进行比较并持续t
shs_计数
的时间段。在计数时间段结束时，信号被转换，并且以用于shr的新值的复位脉冲再次开始循环。两次转换所需的我们称之为行时间或t
行
的时间为：
59.t
行
＝t
rst
+t
shr_稳定
+t
shr_计数
+t
tx
+t
shs_稳定
+t
shs_计数
。
60.行时间限制了将像素阵列和帧速率可以转换为数字图像的速度。因此，帧速率受到行时间的限制，因此提高帧速率的一种方法是减少行时间。
61.图4b为使用流水线的采样保持电路中的转换时间的时序图。可以看出，计数与先前像素的采样和稳定并行进行。当shr被采样时，先前的shs被转换或计数。以便以更快的速率进行操作。行时间可以表示为：
62.t
行
＝t
rst
+t
shr_稳定
+t
tx
+t
shs_稳定
。
63.图5a示出了采样保持电路510的示意图。它电耦接至输入端vbit，输入端vbit电耦接至开关sw1。vbit表示光学阵列的输出端。sw1的另一端电耦接至电容器520。电容器还电耦接至fet q 530的栅极，该fet q 530被配置为源极跟随器。电容器的一侧连接至开关sw1和栅极，520的另一侧接地。晶体管530的源极是输出端vbit_out。源极还电耦接至具有驱动
810的漏极连接至电源，并且源极以isf的幅值电耦接至偏置电流源840。源极跟随器是具有单位增益的放大器。源极还通过闭合的开关s3电耦接至vpix_sh。作为放大器输入端的q810的栅极电耦接至vpix，使得电容器c 820充电到值vpix。断开s5，因此断开了输出端vpix_out。采样保持电容器820的电压跟踪vpix的值。
70.在图8c所示的采样阶段期间，vpix通过闭合的开关s1电耦接至vpix_sh，并且经由连接至s4的开关830电耦接至放大器输入的输入端sfin。sfin是被配置为源极跟随器的q810的栅极的输入端。q 810的漏极连接至电源，并且源极以isf的幅值电耦接至电流源840。810的源极也经由闭合的s5连接至输出端vpix_out。
71.采样保持电路的输出端驱动斜坡adc的比较器的输入端。在保持阶段期间，采样保持电容器的电压通过放大器提供给比较器的输入端。另一个比较器输入端由dac驱动，该dac连接至计数器，该计数器递增计数或递减计数，直至两个值相等。当两个值相等时，比较器跳闸，计数器停止。计数器的值作为模拟信号的数字表示存储在存储器中。当转换完成时，如图1所示，信号dcpm_rst被断言，从而清除比较器内的任何存储电路。
72.图9示出了用于图8a-c中所示的三个阶段的时序图。我们以闭合开关s1(tw)开始循环，开关s1的闭合开启了r1的采样。dcomp_rst被断言，为下一次读出清除比较器电路。当dcomp_rst被解除断言，断开s1，并且在ty处tx被断言时，电路进入保持阶段。
73.在保持阶段期间，转换样本r1。断开s1，并对值进行计数。伴随着待被跟踪然后被采样的下一个值的跟踪阶段，即s1，保持阶段结束(tz)。该模式反复重复，直至读取光学阵列为止。对整个光学阵列，像打乒乓球一样对每个样本进行跟踪、采样和保持。
74.图10示出了用于图8a、8b和8c中的电路的模拟输出。该模拟示出了开关s1的状态、开关s3的状态以及开关830连接至s2(被标记为s2)的时间。它示出了开关830连接至s4(被标记为s4)的时间，并且它示出了s5的状态。它还示出了tx、sfin、vpix和vpix_sh。曲线图被分成三个阶段，示出了如图8a所示的保持阶段、如图8b所示的跟踪阶段和如图8c所示的采样阶段。在保持阶段，断开开关1。开关830未连接至s2，并且s3是断开的。开关s4和开关s5是闭合的。s5闭合一段足够长的时间，以便完成数字转换，然后被断开，使得它仅在保持阶段的一部分被断开。当在保持阶段期间，tx结束时1010，vpix开始衰减，并且sfin保持在其值处。开关830连接至s2，并且s3闭合以开始跟踪阶段。然后，sfin下降，并且vpix_sh现在跟踪vpix。vpix_sh衰减到vpix的新值。然后s1闭合以开始采样阶段。随着830切换到s4并闭合s3的转变，vpix不再有瞬变或被极大地最小化。“凸起”被抑制。vpix瞬变之间的差异可以在图11中看到。
75.图11示出了用于具有和不具有跟踪的图8a、8b和8c中的电路的模拟。它示出了s1、s3以及830何时连接至s2。它还示出了tx和两个彼此叠加的vpix波形。具有跟踪的信号vpix平滑地衰减，并且从跟踪转变到采样，而没有瞬变。这可以看作为平稳转变。然而，不具有跟踪的vpix信号在从跟踪转变到采样期间具有瞬变。在跟踪阶段，采样保持电容器820被充电到vpix的值。其发生的原因在于vpix电耦接至sfin，sfin是源极跟随器的输入端。源极跟随器的增益为1，并且是非反相的，因此源极处的值将等于栅极处的电压。因为栅极电耦接至vpix，并且fet具有零阈值电压，所以源极将处于与vpix相同的电压。当s1随着从跟踪到采样的转变而闭合时，电压将没有变化，因为电容器c上的电压已经等于vpix。
76.用于采样保持电路的设计的电路选择要求采样保持电容器足够小，以便将约翰
逊-奈奎斯特噪声(ktc噪声)降低至低于dac的量化噪声的水平，该dac用于使比较器的一端斜变(ramp)。采样保持开关应足够小，以便将电荷注入效应降至最低。
77.图12示出了具有“t”开关的采样保持电路。可以使用如图12所示的用于采样保持开关的t开关。图12示出了双sw1，使得(t的)任一侧可以电耦接，并且中心柱可以接地。它具有输入端vpix、采样保持电容器1210、用电流源1230以isf的幅值偏置的晶体管q1220，并且源极还连接至输出端vpix_out。t开关可以用于s1开关，以避免从vpix到信号到s/h cap c的耦合。
78.本文中讨论的方法消除了与用于选择r样本和s样本(shr和shs)的不同电容器和放大器之间的任何错配相关联的问题，因为所有行都是用相同的电路处理的。由于电容器尺寸的减小，电路的尺寸也减小了。由于v
pix
的稳定时间更快，因此可以进行转换。
79.所提出的实施例通过将计数时间段与其他像素操作(tx、复位、稳定时间和水平消隐)进行流水线化来减少行时间。这些实施例提供了低功率、最小尺寸以及在shr和shs读出之间无错配。这些实施例可以实施为与需要使用采样保持读出方案来加速帧速率的采样保持电路的传感器一起使用。
80.在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所描述的采样保持读出系统可以结合附加的特征。因此应当注意，在以上说明书中包含的内容或者在附图中示出的内容应理解为说明性的而非限制性的。以下权利要求旨在覆盖本文中描述的所有通用和特定特征，以及就语言而言可以说是介于两者之间的本发明方法和系统的范围的所有陈述。
81.在不脱离本发明实施例的范围的情况下，可以对以上方法和系统进行改变。因此应当注意，在以上说明书中包含的内容或者在附图中示出的内容应理解为说明性的而非限制性的。本文中，除非另有说明，否则短语“在实施例中”等同于短语“在某些实施例中”，而不是指所有实施例。以下权利要求旨在覆盖本文描述的所有通用和特定特征，以及就语言而言可以说是介于两者之间的本发明方法和系统的范围的所有陈述。

技术特征：
1.一种采样保持电路，包括：从光学阵列的输出端至所述采样保持电路的输入端；第一开关，所述第一开关电耦接在所述光学阵列的所述输出端与采样保持电容器之间；第二开关，所述第二开关用于将放大器的输入端电耦接至以下各项中的一个：(a)所述采样保持电容器；或(b)所述光学阵列的所述输入端；第三开关，所述第三开关用于将所述放大器的输出端电耦接至所述采样保持电容器；和第四开关，所述第四开关用于将所述放大器的所述输出端电耦接至所述采样保持电路的输出端。2.根据权利要求1所述的采样保持电路，其中所述放大器电路包括具有零阈值电压的场效应晶体管(fet)。3.根据权利要求2所述的采样保持电路，其中所述放大器还包括源极跟随器。4.根据权利要求1所述的采样保持电路，其中所述采样保持电路的所述输出端电耦接至模数转换器(adc)。5.根据权利要求4所述的采样保持电路，其中所述adc包括比较器。6.根据权利要求5所述的采样保持电路，其中所述adc还包括耦合电容器，所述耦合电容器一端电耦接至所述比较器的第一输入端，并且所述电容器另一端电耦接至所述采样保持电路的所述输出端。7.根据权利要求6所述的采样保持电路，其中所述adc还包括用于复位所述电容器的第五开关。8.根据权利要求7所述的采样保持电路，其中所述adc还包括电耦接至所述比较器的第二输入端的斜坡发生器。9.根据权利要求8所述的采样保持电路，其中所述斜坡发生器包括数模转换器(dac)。10.根据权利要求9所述的采样保持电路，其中所述斜坡发生器还包括电耦接至所述dac的数字输入端的计数器。11.一种采样保持电路，包括：从光学阵列的输出端到所述采样保持电路的输入端；第一开关，其在所述开关的一端电耦接至所述光学阵列的所述输出端，在所述开关的另一端电耦接至公共点；第二开关，其在所述开关的一端电耦接至所述公共点，且所述开关的另一端电耦接至采样保持电容器；第三开关，其在所述开关的一端电耦接至所述公共点，在所述开关的另一端电耦接至地；第四开关，所述第四开关作为将放大器的输入端电耦接至以下各项中的一个的装备：(a)所述采样保持电容器(b)所述光学阵列的所述输出端第五开关，所述第五开关作为将所述放大器的输出端电耦接至所述采样保持电容器的装备；第六开关，所述第六开关作为将所述放大器电耦接至所述采样保持电路的输出端的装
备。12.一种用于将光学阵列样本转换为数字表示的采样保持方法，包括：在保持阶段，配置第一开关，使得采样保持电容器不电连接至光学阵列的输出；配置第二开关，使得放大器的输入电耦接至所述采样保持电容器；配置第三开关，使得所述放大器的输出不电耦接至所述采样保持电容器；配置第四开关，使得所述放大器的所述输出连接至所述采样保持电路的输出；在跟踪阶段，配置所述第一开关，使得所述采样保持电容器不电耦接至所述光学阵列的所述输出；配置所述第二开关，使得所述放大器的所述输入电耦接至所述光学阵列的所述输出；配置所述第三开关，使得所述放大器的所述输出电耦接至所述采样保持电容器；以及配置所述第四开关，使得所述放大器的所述输出不电耦接至所述采样保持电路的所述输出；在采样阶段，配置所述第一开关，使得所述采样保持电容器电耦接至所述光学阵列的所述输出；配置所述第二开关，使得所述放大器的所述输入电耦接至所述采样保持电容器；配置所述第三开关，使得所述放大器的所述输出不电耦接至所述采样保持电容器；配置所述第四开关，使得所述放大器的所述输出电耦接至所述采样保持电路的所述输出。13.根据权利要求12所述的采样保持方法，其中所述保持阶段还包括将所述采样保持电路的所述输出转换为数字表示。14.根据权利要求13所述的采样保持方法，其中将所述采样保持电路的所述输出转换为所述数字表示包括将所述输出与数模转换器(dac)的输出进行比较。15.根据权利要求14所述的采样保持方法，还包括通过计数器来驱动所述dac，所述计数器使所述dac的所述输出斜变，直至所述dac的所述输出等于所述采样保持电路的所述输出。16.根据权利要求15所述的采样保持方法，其中当所述dac的所述输出等于所述采样保持电路的所述输出时，将所述计数器的值作为所述采样保持电路的所述输出的数字表示存储在存储器中。

技术总结
提出了一种用于斜坡模数转换的采样保持读出系统和方法，其中使用采样保持电路读出光学阵列，使得每个样本用于对采样保持电容器充电，并且在保持阶段期间使用驱动斜坡模数转换器的放大器读出。采样保持电路转换至跟踪阶段，其中光学阵列输入驱动放大器，该放大器驱动采样保持电容器，然后转换至采样阶段，在采样阶段，采样保持电容器直接连接至光学阵列输出。出。


技术研发人员：中央
受保护的技术使用者：豪威科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/10/19