非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路与流程

本发明涉及一种非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路。

背景技术：

1、模数转换器又称a/d转换器，或简称adc，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件，目前已广泛应用于工业、医疗、通信等领域，以满足各种数据采集应用的需求。

2、在图像传感器中，随着像素单元阵列规模的不断扩大，传统的芯片级模数转换器（chip level analog to digital converter）已经不能满足高帧率的要求，所以高帧率图像传感器通常采用列级模数转换器。列级模数转换器（column level analog to digitalconverter）具有只需小的面积和功耗就能实现高精度的特点，被广泛应用在高像素高帧率的图像传感器中。

3、模数转换器主要由比较器和存储单元或者计数单元组成，并且需要一个斜坡（vramp）信号作为比较器的比较电平，斜坡信号的精度直接影响到adc的输出精度；另外，高帧率图像传感器的应用场景需要对应的高速的斜坡信号，因此如何产生高速高精度的斜坡信号是一个非常重要的研究课题。

4、传统做法，斜坡信号是线性的，达到相同的有效精度需要更长的时间或是更快的速度，或是相同的速度和时间下，能达到的有效精度就小。

5、由于在所有的图像传感器中都存在光子散粒噪声（photon shot noise），它会随着输入信号的增加而增加。而adc的量化噪声，不随输入信号变化。所以在信号比较大的时候，光子散粒噪声将占主导地位，此时模数转换器的性能高于所要求的值，可以降低精度。在斜坡信号上的表现就是：大信号时的斜率可以大于小信号时的斜率。这样对于相同的有效输出精度，可以缩短adc的转换时间，提高帧率；或是对于相同的帧率，可以提高adc的有效输出精度。因此，采用多斜率非线性斜坡信号的非线性adc可以更好地适应图像传感器的高速高精度应用。

6、然而，如果采用了多斜率非线性斜坡信号的非线性adc，必须要加入校准步骤，把非线性输出转换成线性输出，数字模块才能进行后续的图像处理。如果非线性adc采用后验的方法进行校准，即使采用每一颗芯片标定校准参数的方法也没办法覆盖住所有复杂的应用环境，进而可能出现各种图像质量问题，比如分层，偏色等，影响非线性adc的稳定性和精度。因此需要一种可以实时校准非线性adc输出的非线性变化的校准方法及电路结构，以便实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性adc校准参数的变化，提高非线性adc的稳定性和精度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路，实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性adc校准参数的变化，提高非线性adc的稳定性和精度。

2、基于以上考虑，本发明的一个方面提供一种非线性模数转换电路的校准方法，包括：提供非线性模数转换电路；提供基准电压产生电路；在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试所述基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以提高非线性模数转换电路的稳定性和精度。

3、优选的，所述基准电压产生电路包括：位于图像传感器的像素阵列内部或外部的至少一个校准行，以及位于所述像素阵列外部的电压源、电流源，每个所述校准行包括串联的电阻或电容模块，所述串联的电阻或电容模块的第一端连接所述电压源，所述串联的电阻或电容模块的第二端连接所述电流源；所述用非线性模数转换电路测试所述基准电压产生电路产生的多个基准电压包括：当选中一个所述校准行时，所述电压源、电流源通过串联的电阻或电容模块提供相同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压进行模数转换，并提供不同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的图像信号电压进行模数转换，从而利用所述校准行输出的校准信号电压和模数转换后的输出数字码形成非线性输出曲线，以便根据所述非线性输出曲线得到非线性模数转换电路的校准参数。

4、优选的，每个所述校准行还包括多个校准行像素单元，每个校准行像素单元包括源跟随晶体管、行选择晶体管，同一行的每个源跟随晶体管的栅极都连接到第一金属线，每个行选择晶体管的栅极连接到同一个行控制线，所述第一金属线的第一端连接所述电压源，所述第一金属线的第二端通过第一选择开关连接所述电流源；所述第一选择开关断开时，所述基准电压产生电路提供相同的基准电压；所述第一选择开关闭合时，所述基准电压产生电路提供不同的基准电压。

5、优选的，所述源跟随晶体管的栅极等间距地连接到所述第一金属线，以使得所述不同的基准电压为等间距变化的电压。

6、优选的，每个所述校准行还包括与所述第一金属线并联的第二金属线，所述第二金属线的第一端连接所述电压源，所述第二金属线的第二端通过第二选择开关连接所述电流源；所述第一选择开关断开时，所述第二选择开关闭合；所述第一选择开关闭合时，所述第二选择开关断开。

7、优选的，所述第一金属线、第二金属线的电阻相同，以使得所述电压源的输出负载一致。

8、优选的，在多个所述校准行中，交替设置：第一金属线、第二金属线的第一端位于所述校准行的左端且第二端位于所述校准行的右端，或者，第一金属线、第二金属线的第一端位于非所述校准行的右端且第二端位于所述校准行的左端。

9、优选的，在一个所述校准行中，第一金属线、第二金属线的第一端、第二端以及第一金属线与第二金属线之间分别设置多个选择开关组，用于通过控制所述选择开关组的通断交替实现：所述校准行的左端连接所述电压源且右端连接所述电流源，或者，所述校准行的右端连接所述电压源且左端连接所述电流源。

10、优选的，定期对每帧或多帧图像进行校准；或者当工作环境或工作参数变化达到预设阈值时进行校准。

11、优选的，将多个所述校准行同一列输出的校准信号电压对应的数字码取平均值后用于形成所述非线性输出曲线。

12、优选的，通过调节所述电流源的电流来调节所述校准行输出的校准电压信号范围。

13、本发明的另一方面提供一种用于校准非线性模数转换电路的基准电压产生电路，包括：位于图像传感器的像素阵列内部或外部的至少一个校准行，以及位于所述像素阵列外部的电压源、电流源，每个所述校准行包括串联的电阻或电容模块，所述串联的电阻或电容模块的第一端连接所述电压源，所述串联的电阻或电容模块的第二端连接所述电流源，当选中一个所述校准行时，所述电压源、电流源通过串联的电阻或电容模块提供相同的基准电压以便模拟图像传感器像素阵列输出的参考信号电压进行模数转换，并提供不同的基准电压以便模拟图形传感器像素阵列输出的图像信号电压进行模数转换，从而利用所述校准行输出的校准信号电压和模数转换后的输出数字码形成非线性输出曲线，以便根据所述非线性输出曲线得到非线性模数转换电路的校准参数。

14、优选的，每个所述校准行还包括多个校准行像素单元，每个校准行像素单元包括源跟随晶体管、行选择晶体管，同一行的每个源跟随晶体管的栅极都连接到第一金属线，每个行选择晶体管的栅极连接到同一个行控制线，所述第一金属线的第一端连接所述电压源，所述第一金属线的第二端通过第一选择开关连接所述电流源。

15、优选的，所述源跟随晶体管的栅极等间距地连接到所述第一金属线。

16、优选的，每个所述校准行还包括与所述第一金属线并联的第二金属线，所述第二金属线的第一端连接所述电压源，所述第二金属线的第二端通过第二选择开关连接所述电流源。

17、优选的，所述第一金属线、第二金属线的电阻相同。

18、优选的，在多个所述校准行中，交替设置：第一金属线、第二金属线的第一端位于所述校准行的左端且第二端位于所述校准行的右端，或者，第一金属线、第二金属线的第一端位于非所述校准行的右端且第二端位于所述校准行的左端。

19、优选的，在一个所述校准行中，第一金属线、第二金属线的第一端、第二端以及第一金属线与第二金属线之间分别设置多个选择开关组，用于通过控制所述选择开关组的通断交替实现：所述校准行的左端连接所述电压源且右端连接所述电流源，或者，所述校准行的右端连接所述电压源且左端连接所述电流源。

20、优选的，多个所述校准行连接同一个电流源。

21、优选的，多个所述校准行连接同一个电压源。

22、与现有技术相比，本发明的非线性模数转换电路的校准方法及其基准电压产生电路，通过在非线性模数转换电路正常工作之前或工作过程中，用非线性模数转换电路测试基准电压产生电路产生的多个基准电压，得到非线性模数转换电路的校准参数，用于校准非线性模数转换电路正常工作时的输出值，以便实时更新由于工作环境和工作参数发生变化时导致的非线性模数转换电路校准参数的变化，提高模数转换电路的稳定性和精度。