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微型摄像头的逐次逼近数模转换电路原理
发布时间: 2015-12-05      大小:  16px  14px  12px

从像素阵列直接读出的图像信息是模拟电压信号,大多数CMOS微型摄像头传感器的图像信号模拟数字转换部分是与像素阵列设计和制造在同一个单硅片上的。根据被转换图像模拟信号的线性和动态范围要求,转换器的模拟电压幅度应该有2 ~3. 3V,量化深度应该有8 ~24 位。为了满足图像的清晰度和刷新率要求,通常要有20 ~200MHz 的模数转换速率。不同的微型摄像头传感器方案通常采用不同的模数转换器设计;微型摄像头的逐次逼近数模转换电路原理经典的逐次逼近型模数转换电路框图如图6. 1 所示,其基本的结构由电压比较器、逐次逼近寄存器(SAR)、数模转换器(DAC)和输入模拟电压的采样保持S/ H)电路组成。电路的模数转换过程如下:寄存器(SAR)的初始状态被设置为其最高位MSB =1,而其他较低位都为0,这时数模转换器(DAC)的输出电压为Vref/ 2。然后经过采样保持的输入电压Vin 与DAC 输出的Vref/ 2 比较,如果Vin >Vref/ 2,比较器输出1 并使寄存器SAR 保持最高位MSB =1,反之比较器输出0,寄存器SAR 的最高位保持在MSB =0,形成量化二进位数的最高位X(n- 1)。下一步设置SAR 的次高位为1,重复前一步操作,形成量化二进位数的次高位X(n- 2);直到形成SAR 的最后一位LSB,即X(0)。最后在逐次逼近寄存器(SAR)上保持了一个二进制数列X(n- 1)X(n- 2)…X(1)X(0),其中X(n)的值为0 或者1,n 为数列的长度。经过数模转换DAC 产生模拟电压:

微型摄像头的逐次逼近数模转换电路原理

微型摄像头的逐次逼近数模转换电路原理

随着数列长度n 的增长,VDAC 的值越加逼近等于Vin 值,所以寄存器SAR 输出的二进制数列:X(n- 1)X(n- 2)…X(1)X(0)就是Vin 的n 次逼近二进制表达。

微型摄像头的逐次逼近数模转换电路原理_副本

图6. 1  微型摄像头经典的逐次逼近数模转换电路框图

一个字长n =6的逐次逼近过程描述如下:

(1)初始值:SAR =100000 VDAC =(Vref/ 2);

(2)逼近1:SAR =X(5)10000

(3)逼近2:SAR =X(5)X(4)1000

(4)逼近3:SAR =X(5)X(4)X(3)100

(5)逼近4:SAR =X(5)X(4)X(3)X(2)10

(6)逼近5:SAR =X(5)X(4)X(3)X(2)X(1)1

(7)结果:SAR =X(5)X(4)X(3)X(2)X(1)X(0)

式中,X(n)的值为0 或者1,如果前一拍逼近时Vin >VDAC,X(n)=1;否则X(n)=0,且结果保持在相应的n 位上。从上述可以知道,
用典型的逐次逼近模数转换电路产生n 位二进制数据,需运行n 次逼近比较操作。为了获得高的转换精度和动态范围,图像信号往往需要n =12 以至于达到n =24 的转换精度,
这样就需要12 ~24 节拍的逼近比较。在CMOS 图像传感器芯片中,这样的转换速度是难以满足高清晰度和高刷新率要求的。但是由于电路结构简单,占用版图面积小,逐次逼近数模转换
电路也有可能在某些量化字长较小的特殊应用场合被采用。