浅谈图像传感器中的SS ADC

本文主要介绍手机用图像传感器中的SS-ADC技术（single-slope analog-to-digital converter，单斜率模数转换器）。

ADC基本功能介绍

ADC的作用顾名思义--将模拟信号转换为数字信号。

对图像传感器而言，入射光子在photo diode中发生光电转换,成为模拟电信号，模拟信号再经ADC转换为数字信号输出。

图1是cmos image sensor(以下简称CIS)的基本架构图。Pixel array产生的模拟信号串行通过ADC转换为数字信号输出。并且每一列pixel都会共享一个ADC。

图1column parallel ADC CIS 基本架构

从实现方法而言,ADC有多种类型:逐次逼近型、积分型、压频变换型、∑-Δ型ADC,等。

SS-ADC（single slope ADC）属于逐次逼近型，由于其结构简单、占用面积小、功耗低的特点被广泛使用在CIS中。

SS-ADC工作原理

SS-ADC的基本结构如图2所示，包括数模转换器（D-to-A Rampgenerator）、比较器、digital counter、存储器RAM。

图2 SS-ADC基本结构

Digital counter的输出信号传送给ramp generator，ramp的值会随着counter的增加而单调增大；ramp的输出连接到比较器的'＋'输入端。Pixel的输出信号与ramp的电压不断进行比较，当pixel信号值和ramp的输出信号相等时，比较器被触发转换到输出状态。这样，pixel的模拟信号就被表征为digital counter的数字信号，数值被锁存在n-bit RAM中，如图3所示。

因为所有列的AD转换都需要在一个ADC周期内完成，RAMP值会继续增加，直到counter达到最大值‘11...11’,一整排的column模拟信号全部被转换为数字信号，锁存在RAM 1到RAM k中，等待读出电路将数值读出。

SS-ADC缺点和解决方案

SS-ADC最大缺点是速度慢，特别是bit位宽增加时。Digital counter必须从最小值遍历到最大值，当bit位宽增加时，转换时间会随之增加。比如ADC clockf=100MHz,8bit时需要转换时间为0.256us，10bit时1.02us, 12bit时为8.2us。

Multi-slope ADC和Mulit-ramp ADC在一定程度上可以改善速度问题。

Multi-slope ADC

如上所述SS-ADC的转换速度是由ramp的速度决定的，从最小遍历到最大（10bit为例，从0到1023）。当ADC的采样分辨率高，ADC精度变高，但是速度会变慢。可以考虑牺牲一部分噪声特性来提高ADC的速度。

亮光时，CIS主要是shot noise占主导，SNR约等于信号的平方根。因此在亮光环境，ADC的量化噪声可以适当放松，可以考虑适当RAMP的step（减小采样分辨率），量化噪声增大。

暗光时，CIS的噪声主要是来自read noise，暗光时，为了减小量化噪声对画质影响，维持ADC的高采样分辨率，量化噪声小。

利用multi-slope ADC，可以维持一定SNR的基础上加快ADC速度。

Multi-Ramp ADC

Multi-Ramp SS-ADC的原理类似于二分法。例如先用最高2位（4段）选择信号在下面4个的哪个区间00…0 ~ 01…0，01…0 ~ 10…0, 10…0 ~ 11…0, 11…0 ~ 11…1。然后在每个区间内再进行高采样转换。通过这样的方法，转换时间减小为原来的1/4。

Multi-Ramp ADC这种方法也有缺陷。4个ramp会有不同的offset；并且对于不同的区间，offset带来的影响不一样。

总结：SS-ADC因其电路简单、面积小、功耗低被广泛应用于商用cmos图像传感器中，它的工作原理限制了其转换速度、精度与分辨率。

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转载：全栈芯片工程师