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本文主要介紹手機(jī)用圖像傳感器中的SS-ADC技術(shù)（single-slope analog-to-digital converter，單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。
ADC基本功能介紹
ADC的作用顧名思義--將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
對圖像傳感器而言，入射光子在photo diode中發(fā)生光電轉(zhuǎn)換,成為模擬電信號，模擬信號再經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。
圖1是cmos image sensor(以下簡稱CIS)的基本架構(gòu)圖。Pixel array產(chǎn)生的模擬信號串行通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。并且每一列pixel都會(huì)共享一個(gè)ADC。
圖1column parallel ADC CIS 基本架構(gòu)
從實(shí)現(xiàn)方法而言,ADC有多種類型:逐次逼近型、積分型、壓頻變換型、∑-Δ型ADC,等。
SS-ADC（single slope ADC）屬于逐次逼近型，由于其結(jié)構(gòu)簡單、占用面積小、功耗低的特點(diǎn)被廣泛使用在CIS中。
SS-ADC工作原理
SS-ADC的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D-to-A Rampgenerator）、比較器、digital counter、存儲(chǔ)器RAM。
圖2 SS-ADC基本結(jié)構(gòu)
Digital counter的輸出信號傳送給ramp generator，ramp的值會(huì)隨著counter的增加而單調(diào)增大；ramp的輸出連接到比較器的'＋'輸入端。Pixel的輸出信號與ramp的電壓不斷進(jìn)行比較，當(dāng)pixel信號值和ramp的輸出信號相等時(shí)，比較器被觸發(fā)轉(zhuǎn)換到輸出狀態(tài)。這樣，pixel的模擬信號就被表征為digital counter的數(shù)字信號，數(shù)值被鎖存在n-bit RAM中，如圖3所示。
因?yàn)樗辛械腁D轉(zhuǎn)換都需要在一個(gè)ADC周期內(nèi)完成，RAMP值會(huì)繼續(xù)增加，直到counter達(dá)到最大值‘11...11’,一整排的column模擬信號全部被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，鎖存在RAM 1到RAM k中，等待讀出電路將數(shù)值讀出。
SS-ADC缺點(diǎn)和解決方案
SS-ADC最大缺點(diǎn)是速度慢，特別是bit位寬增加時(shí)。Digital counter必須從最小值遍歷到最大值，當(dāng)bit位寬增加時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)隨之增加。比如ADC clockf=100MHz,8bit時(shí)需要轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.256us，10bit時(shí)1.02us, 12bit時(shí)為8.2us。
Multi-slope ADC和Mulit-ramp ADC在一定程度上可以改善速度問題。
Multi-slope ADC
如上所述SS-ADC的轉(zhuǎn)換速度是由ramp的速度決定的，從最小遍歷到最大（10bit為例，從0到1023）。當(dāng)ADC的采樣分辨率高，ADC精度變高，但是速度會(huì)變慢?？梢钥紤]犧牲一部分噪聲特性來提高ADC的速度。
亮光時(shí)，CIS主要是shot noise占主導(dǎo)，SNR約等于信號的平方根。因此在亮光環(huán)境，ADC的量化噪聲可以適當(dāng)放松，可以考慮適當(dāng)RAMP的step（減小采樣分辨率），量化噪聲增大。
暗光時(shí)，CIS的噪聲主要是來自read noise，暗光時(shí)，為了減小量化噪聲對畫質(zhì)影響，維持ADC的高采樣分辨率，量化噪聲小。
利用multi-slope ADC，可以維持一定SNR的基礎(chǔ)上加快ADC速度。
Multi-Ramp ADC
Multi-Ramp SS-ADC的原理類似于二分法。例如先用最高2位（4段）選擇信號在下面4個(gè)的哪個(gè)區(qū)間00…0 ~ 01…0，01…0 ~ 10…0, 10…0 ~ 11…0, 11…0 ~ 11…1。然后在每個(gè)區(qū)間內(nèi)再進(jìn)行高采樣轉(zhuǎn)換。通過這樣的方法，轉(zhuǎn)換時(shí)間減小為原來的1/4。
Multi-Ramp ADC這種方法也有缺陷。4個(gè)ramp會(huì)有不同的offset；并且對于不同的區(qū)間，offset帶來的影響不一樣。
總結(jié)：SS-ADC因其電路簡單、面積小、功耗低被廣泛應(yīng)用于商用cmos圖像傳感器中，它的工作原理限制了其轉(zhuǎn)換速度、精度與分辨率。
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測試串?dāng)_時(shí)基本組件或階段的簡單框圖。首先，對通道 1 上的干擾音應(yīng)用一個(gè)濾波器，并測量作為參考捕獲的輸入。該濾波器確保來自信號發(fā)生器的所有其他噪聲和諧波被衰減到足以不破壞施加的故意干擾信號。
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