具有分辨率檢測器和可變抖動的adc的制作方法
【專利摘要】可以將分辨率檢測器與ADC結(jié)合使用來識別ADC的原始數(shù)字輸出中未分辨的位?？梢詫⒁呀?jīng)由ADC正確地分辨的位與由于時間限制或其他因素而未成功被分辨的那些位區(qū)分?？梢詫⑽闯晒Ψ直娴拿總€位歸類并稱為未分辨的位。如果取樣周期中有檢測到任何未分辨的位，則可以在原始數(shù)字輸出中并入抖動，以補償該周期中的未分辨的位?？梢詫⒍秳犹砑拥紸DC的原始數(shù)字輸出以消除經(jīng)處理的數(shù)字輸出碼中的任何丟失碼，或可以該抖動替代原始數(shù)字輸出中未分辨的位以生成經(jīng)處理的數(shù)字輸出。
【專利說明】具有分辨率檢測器和可變抖動的ADC
[0001]相關(guān)申請的交叉應(yīng)用
[0002]本申請依據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求2011年6月6日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/493,892的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用完全并入本文。
[0003]背景
[0004]模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對模擬信號取樣,并將其轉(zhuǎn)換成表不信號電壓的數(shù)字碼。ADC典型地由外部時鐘信號來驅(qū)動，該外部時鐘信號控制進行取樣和轉(zhuǎn)換的速率。典型地，在時鐘速度和分辨率之間存在折衷；因為增加ADC的時鐘速率以適應(yīng)越高的帶寬模擬信號，ADC轉(zhuǎn)換新樣本的時間越少，這可能導(dǎo)致較低的分辨率。
[0005]此較低的分辨率可能是因缺乏將模擬樣本轉(zhuǎn)換成一組完整的數(shù)字輸出位所需的時間而導(dǎo)致的。隨著ADC輸出碼中的分辨率和數(shù)字位的數(shù)量增加，模擬輸入信號將更逼近數(shù)字碼躍遷邊緣的概率也會增加。轉(zhuǎn)換每個位所需的時間量可能逐個位和逐個周期有所變化。例如，分辨越逼近躍遷邊緣的取樣的信號值可能需要更多時間。這些因素中的每個因素都會影響給定時鐘周期中分辨的位的數(shù)量。
[0006]因此，隨著ADC中時鐘速率增加，輸出分辨率典型地下降。在一些情況中，時鐘速率可能無法為ADC提供足夠時間來分辨一組完整的數(shù)字輸出位。在這些情況中，給定取樣周期中數(shù)字碼的一個或多個最低有效位可能無法被分辨，并且可能導(dǎo)致丟失碼，如圖3A所示。制造商可能會有意地降低ADC時鐘速率以確保ADC輸出不會包含任何丟失碼，因為ADC有足夠時間來分辨一組完整的數(shù)字輸出位。
[0007]在一些情況中，如將模擬圖像傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼時，這些丟失碼可能降低數(shù)字碼中表示的可用顏色的數(shù)量。這可能導(dǎo)致不同像素之間更銳和更欠平滑的顏色過渡。此外，在成像系統(tǒng)中，噪聲閾值可能隨著圖像傳感器捕獲的細節(jié)程度提高而提高。因此，更大的圖像信號輸入也許能夠支持經(jīng)處理圖像中的附加噪聲而不會負面地影響圖片質(zhì)量。
[0008]因此需要以更快的時鐘速率運行ADC，同時即使在一些位未被分辨的情況下，仍減少丟失碼。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1A和圖1B示出本發(fā)明不同實施方案中的兩個示范框圖。
[0010]圖2示出本發(fā)明的實施方案中的示范過程。
[0011]圖3A示出在每個試驗期中未分辨出兩個LSB而導(dǎo)致丟失碼時Vin對輸出碼的示范相關(guān)性。
[0012]圖3B示出圖3A的使用例子中隨機抖動(dither)的應(yīng)用。
[0013]圖4示出在實施方案中添加到圖3A所示的原始數(shù)字輸出的高斯形抖動。
[0014]圖5A示出可使用抖動來替代經(jīng)處理的ADC輸出信號中未分辨的位的實施方案。
[0015]圖5B基于圖5A中使用 的輸入不出未使用抖動的不范輸出。
[0016]圖6示出可以使用本發(fā)明的實施方案的示范裝置?！揪唧w實施方式】
[0017]在實施方案中，可以使用分辨率檢測器來識別ADC的原始數(shù)字輸出中未分辨的位。該檢測器可以在ADC已正確地分辨的位與因為時間限制或其他原因而未被成功分辨的那些位之間進行區(qū)分?？梢詫⑽闯晒Ψ直娴拿總€位歸類并稱為未分辨的位。
[0018]如果取樣周期中有檢測到任何未分辨的位，則可以在原始數(shù)字輸出中并入抖動，解釋該周期中未分辨的位來生成ADC的經(jīng)處理的數(shù)字輸出。例如，可以將該抖動添加到ADC的原始數(shù)字輸出以消除經(jīng)處理的數(shù)字輸出碼中的任何丟失碼，或者可以將該抖動替代原始數(shù)字輸出中未分辨的位以生成經(jīng)處理的數(shù)字輸出。
[0019]抖動的量值可以與識別出的未分辨的位的有效數(shù)成比例來變化。例如，如果位m未被ADC分辨出，則可以生成具有至少2~ (m+1)-1個ADC碼的量值的抖動來解釋該未分辨的位m。在一些實施方案中，抖動的量值可以選為超過2~(m+l)-l個ADC碼。選擇具有至少2~ (m+l)-l個ADC碼的抖動可以確保給定足夠樣本大小下經(jīng)處理的ADC輸出不包含丟失碼。如果抖動的量值小于2~ (m+1)-1個ADC碼，則經(jīng)處理的ADC輸出中仍可能丟失至少一個ADC碼而無論樣本大小。抖動可以包含隨機生成或偽隨機生成的數(shù)據(jù)。抖動可以選為滿足特定分布函數(shù)，如均勻、高斯、三角或其他分布函數(shù)。
[0020]未分辨的位的有效數(shù)可以由分辨率檢測器來確定，分辨率檢測器可以識別每個周期中一直未被分辨的特定位。正如先前論述的，例如可以將抖動添加到ADC的原始數(shù)字輸出以填充任何丟失碼或?qū)⑵溆米髟紨?shù)字輸出中未分辨的位的替代，以生成最終經(jīng)處理的ADC輸出。
[0021]如上文論述的使用識別未分辨的位的分辨率檢測器和解釋未分辨的位的抖動可以實現(xiàn)以更高取樣速率工作的N位ADC中的N位線性，即使N位中的一些可能未被分辨出。此外，可以選擇性地添加抖動以便僅解釋未分辨的位，而不會影響被ADC正確地分辨的那些位的ADC輸出碼。
[0022]分辨率檢測器還可以檢測位錯誤(bit errors)。例如，在差分SARADC中，ADC可以為兩個信號線路中的每一個信號線路輸出單獨的數(shù)字碼。理想情況下，施加于正端DAC的輸出碼應(yīng)該具有與施加于負端DAC的極性相反的極性。因此，如果兩個DAC具有對特定位施加的相同碼，則可以認為是錯誤，并且可以將該位標志為未分辨。
[0023]分辨率檢測器還可以檢測并行ADC (flash ADC)中的位錯誤。例如，在并行ADC中，ADC可以輸出溫度計碼以識別分辨的位。溫度計碼可能包含靜態(tài)或動態(tài)比較器錯誤可能在ADC中導(dǎo)致的氣泡(bubble)。例如，如果3位并行ADC的輸出碼是“ 1011000”，則分辨率檢測器可以檢測到最左邊的“O”是錯誤的，以及檢測到最右邊的“I”也可能地是錯誤的。然后可以利用抖動來替代所有這些位。
[0024]圖1A不出本發(fā)明的實施方案的第一不范框圖100?？梢詫⒛M電壓110輸入到N位ADC120，N位ADC120可以耦合到外部時鐘信號125。ADC120的數(shù)字輸出128可以耦合到加法器電路150，加法器電路150可以將ADC128的輸出與抖動145組合。抖動生成器140可以響應(yīng)分辨率檢測器130識別出原始ADC輸出128中無法正確地分辨的數(shù)字位135而生成抖動145。
[0025]ADC120還可以輸出指示位是否被ADC120正確地分辨的標志信號127或其他指示。如果ADC120沒有足夠的時間分辨特定的位或如果位未被正確地分辨，則ADC120可以輸出標志信號127。可以將標志信號127連同ADC碼128發(fā)送到分辨率檢測器130，分辨率檢測器130可以被用于識別原始ADC輸出中未被正確地分辨的特定位。
[0026]一旦識別了特定的未分辨的位，則分辨率檢測器130可以向抖動生成器140發(fā)送失敗信號135以便生成與該位的有效數(shù)成比例的抖動145。例如，在實施方案中，如果位m被分辨率檢測器130識別為未分辨，則抖動生成器可以生成2~ (m+1)-1個碼的抖動145。抖動生成器可以使用不同的換算和分布函數(shù)來生成抖動。例如，可以使用均勻、三角或高斯型分布函數(shù)。
[0027]圖1B示出本發(fā)明的實施方案的第二示范框圖170。在此示例中，ADC120可以在每次完成試驗并成功地分辨位時向計數(shù)器132輸出位分辨試驗完成信號131。在一些情況中，標志信號127還可以指示試驗是否成功地完成，以及在這些情況中，標志信號127還可以用作位試驗完成信號131。可以包含移位寄存器或其他計數(shù)電路的計數(shù)器132可以對成功完成的試驗的數(shù)量計數(shù)，并將計數(shù)133輸出到比較器136。比較器136可以將來自計數(shù)器132的計數(shù)133與每次試驗成功完成的情況下應(yīng)該分辨出的預(yù)期總位數(shù)134進行比較。在一些情況中，可以從ADC輸出碼128中計算總位數(shù)134，但是在其他情況中，可以預(yù)先確定或從存儲器裝置或其他源獲取總位數(shù)141。
[0028]在將來自計數(shù)器132的計數(shù)133與總位數(shù)134比較之后，比較器136可以輸出未分辨的位的數(shù)量137。然后，抖動生成器140可以使用輸出的未分辨的位的數(shù)量137來生成對應(yīng)數(shù)量的抖動碼145，然后可以在150將抖動碼145添加到ADC原始輸出碼128。在一些情況中，可以將計數(shù)器132和/或比較器136作為分辨率檢測器130的一部分來包含，可是在其他情況中，它們可以與分辨率檢測器130分開。
[0029]ADC120可以使用并行比較器來分辨位。如果輸入信號接近碼階躍，則比較器之一可能比其余部分更慢地進行分辨，這可能導(dǎo)致變化的信號轉(zhuǎn)換時間。每個比較器可以包含標志以指示比較器是否能夠完成其判斷。如果比較器無法在分配的時間內(nèi)達成判斷，則可以利用抖動來替代該數(shù)字位，或可以將抖動添加到輸出碼160。
[0030]圖2示出使用逐次逼近寄存器(SAR) ADC的本發(fā)明實施方案中用于識別未分辨的數(shù)字位并確定是否要添加抖動的示范過程。圖2表示ADC的一個轉(zhuǎn)換周期。在框201中，N位SAR ADC可以開始對模擬信號取樣以便在試驗期間將該信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼。對于每個試驗期，ADC可以將取樣的信號分辨成從最高有效位開始并向下處理到最低有效位的數(shù)字位。
[0031]在框203中，分辨率檢測器可以將變量m設(shè)置為ADC能夠分辨的最高有效位N，變量m表示位計數(shù)器。然后可以將指示符(在本例中為此最高有效位N的標志字段)設(shè)為指示位N尚未被成功地分辨(在附圖中，由示范值I指示此情況)。
[0032]框204可以表示確定用于分辨特定轉(zhuǎn)換周期的數(shù)字位的試驗期是否已結(jié)束的邏輯。該邏輯可以配置成如果為分辨給定周期中的位分配的期間已結(jié)束，則中斷過程流。例如，框204示出用于分辨位的試驗期已結(jié)束的情況下位分辨過程中的中斷(通過將過程重定向到框211)。此邏輯可以獨立于其他過程，如框203、205和207所示的那些過程。這樣可使試驗期的結(jié)束能夠在獨立于位分辨過程的任何時間被觸發(fā)。一旦試驗期的結(jié)束被觸發(fā)，則過程可以即刻回到框211，以確定是否應(yīng)該添加抖動，并且如果添加的話，則確定抖動應(yīng)該是什么量值的。
[0033]一旦此最高有效位N的標志字段指示位N尚未被成功分辨(如框203所示)，則在框205中，ADC可以開始分辨位N。
[0034]一旦位N已成功被分辨，則在框207中，可以相應(yīng)地更改標志字段(例如，在附圖中，可以將標志從I更改為O)。如果試驗期在位被成功分辨之前結(jié)束，則該標志將不會被改變,并且在框213中，將添加對于位N換算的適合抖動。
[0035]在框209中，可以就是否還有任何余下位要分辨進行確定。如果沒有余下位要分辨，則在框211中，在此情況中所有標志位將是O以指示所有位均被分辨。如果在試驗結(jié)束時還有余下位要分辨，則在框211中，在這些余下未分辨的位中，可以選擇要分辨的最高有效位來確定抖動的大小。如果先前未指示，還可以將此選擇的位的標志設(shè)為指示所選擇的位尚未成功被分辨。
[0036]在框205中，ADC可以開始分辨選擇的位，以及在框207中，一旦選擇的位成功被分辨，則可以更改標志。在框210中，可以將要分辨的下一個位的標志設(shè)置為I，在本例中指示下一個位尚未被分辨。該過程然后可以重復(fù)，直到每個位都已被分辨為止或試驗期結(jié)束為止。
[0037]一旦所有位均已被分辨或試驗期已結(jié)束，則在框211中，可以檢查每個位的標志字段以確定所有位是否已成功被分辨。
[0038]如果所有位已成功被分辨，則在框212中，可以不添加抖動，并且原始數(shù)字ADC輸出可以表示最終經(jīng)處理的ADC輸出。
[0039]如果這些位中的至少一個未成功被分辨，則在框213中，可以添加抖動。抖動可以根據(jù)未成功被分辨的位的有效數(shù)來換算。例如，在實施方案中，如果位m被分辨率檢測器識別為未分辨，則抖動生成器可以生成2~(m+l)-l個碼的抖動。可以將抖動添加到原始ADC輸出或可以使用抖動作為未正確被分辨的位的替代。
[0040]圖3A示出在每個試驗期中未分辨出兩個LSB而導(dǎo)致丟失碼時Vin對4位輸出碼的示范相關(guān)性。圖3B示出圖3A的使用例子中隨機抖動的應(yīng)用，從而消除圖3A所示的丟失碼。
[0041]因為兩個最低有效位無法被分辨，所以將原始數(shù)字輸出限于僅16個值中的4個(輸出碼0、4、8和12)，如圖3A所示。為了校正此情況，可以添加2位均勻抖動以便能夠生成一組完整的ADC碼，如圖3B所示。
[0042]在實踐中，不同的轉(zhuǎn)換操作可能導(dǎo)致未分辨的LSB的數(shù)量有所變化。在一些試驗期中，可能分辨了一組完整的ADC位且沒有位是未分辨的。而在其他期間中，不同數(shù)量的LSB可能未被分辨。正如先前論述的，可能未被分辨的位的概率和數(shù)量可能隨著接近判斷點的取樣值的數(shù)量增加而增加。
[0043]在另一個實施方案中，如圖4所示，可以將高斯形抖動(可能是正的或負的)添加到圖3A所示的原始數(shù)字輸出。如圖所示，高斯抖動可能具有比未分辨的位和丟失碼更大的量值。這可以促成較大碼階躍之間更平滑的過渡。
[0044]圖5A示出可使用抖動來替代經(jīng)處理的ADC輸出信號中未分辨的位的實施方案。如圖5A所示，在實施方案中，可以使用模擬輸入信號501作為對ADC的輸入。在此示例中，ADC能夠分辨不同取樣周期的不同數(shù)量的位。該圖示出每組2000個取樣周期中未分辨的位的數(shù)量502。例如，如圖所示，在第一組2000個取樣周期中，所有位均被分辨，接下來是下一組2000個取樣周期中未被分辨的I個位，接下來是下一組2000個取樣周期中沒有未分辨的位，接下來是2個未分辨的位，并以此類推。雖然此圖示出每組2000個取樣周期中連貫性的未分辨的位數(shù)量，但是在許多實施方案中，未分辨的位的數(shù)量可能在不同取樣周期中是有所不同的。
[0045]在此示例中，可以利用抖動替代每個取樣周期中未分辨的位，抖動具有與最大未分辨的位的有效數(shù)成比例的量值，如根據(jù)函數(shù)2~(m+l)-l來確定，其中位m是未分辨的最高有效位。經(jīng)處理的輸出503可以包含與替代未分辨的位的抖動組合的原始ADC輸出。如輸出503中所示，隨著未分辨的位的數(shù)量從I增加到8，添加以替代未分辨的位的抖動的量值也增加。因此，經(jīng)處理的ADC輸出503的不同分段可能不包含抖動(當所有位均成功被分辨時)或可能包含與未分辨的位的數(shù)量成比例的抖動(當至少一個位仍舊是未分辨時)
[0046]作為比較，圖5B示出具有與圖5A所示的相同的輸入信號511和未分辨的位512的ADC的示范數(shù)字輸出513，但是未對其添加抖動。如圖5B所示，丟失碼的數(shù)量隨未分辨的位的數(shù)量一起增加。
[0047]圖6示出可以使用本發(fā)明的實施方案的示范裝置。例如，可以在處理從圖像捕獲裝置獲取的模擬信號的裝置中使用本發(fā)明的實施方案。這些處理裝置可以包括數(shù)字攝像器610、計算裝置620和電信裝置630，這些裝置中每一個裝置均可以處理從圖像傳感器或其他源獲取的模擬信號。數(shù)字攝像器裝置610可以兼有地包括靜態(tài)和視頻攝像器。
[0048]前文描述是出于說明和描述的目的給出的。它不是窮舉的，且并未將本發(fā)明的實施方案限于所公開的具體形式。根據(jù)上文說理，進行一些修改和改變是可能的，或者從與本發(fā)明一致的具體實施的實施方案可以獲得一些修改和改變。例如，一些描述的實施方案可以將生成的抖動碼添加到ADC的輸出以生成最終的ADC輸出信號，但是在其他實施方案中，可以將生成的抖動添加到ADC輸出以替代丟失位。在其他實施方案中，抖動生成器可以存儲多個先前的樣本，可以對這些樣本取均值并使用來在檢測到后續(xù)丟失的位時添加相似的抖動。在一些實施方案中，在ADC輸出中添加的抖動可以包含負值和/或正值。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，其包括: 識別來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸出碼中未分辨的部分；以及 在所述ADC輸出碼中添加抖動以補償所述未分辨的碼部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輸出碼中的所述未分辨的部分是所述輸出碼中未被分辨的部分。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輸出碼中的所述未分辨的部分是所述輸出碼中被不正確地分辨的部分。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述ADC輸出中包含的所述抖動的量值與所述未分辨的碼部分的有效數(shù)成比例。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述抖動的所述量值選為涵蓋所述未分辨的碼部分中至少每個不可分辨的碼值。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中僅添加所述抖動以補償所述未分辨的碼部分，而不影響正確地分辨的部分的所述輸出碼。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中以所述抖動替代所述未分辨的碼部分來將所述抖動添加在所述ADC輸出中。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括生成添加在所述ADC輸出中的所述抖動。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述抖動是偽隨機方式生成的。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述抖動是根據(jù)分布函數(shù)生成的。`
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述分布函數(shù)是高斯分布函數(shù)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述分布函數(shù)是均勻分布函數(shù)。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述分布函數(shù)是三角分布函數(shù)。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所生成的抖動具有至少(2(m+1)-l)個ADC碼的量值，m表示所述未分辨的碼部分中未分辨的位的有效數(shù)。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在開始分辨位時將標志設(shè)為第一值，以及在完成分辨所述位時將所述標志設(shè)為第二值以識別所述輸出碼的所述未分辨的部分。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括識別正在分辨的位的有效數(shù)，以識別所述輸出碼的所述未分辨的部分。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 從圖像捕獲裝置將模擬圖像信號提供到所述ADC ;以及 從具有添加的抖動以補償所述未分辨的碼部分的所述ADC輸出生成數(shù)字圖像輸出。
18.—種電路,其包括: 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼； 分辨率檢測布置，用于識別所述ADC的輸出中未分辨的位；以及 抖動布置，用于在所述ADC輸出中包含抖動以補償所述未分辨的位。
19.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述分辨率檢測布置識別所述未分辨的位的有效數(shù)，以及所述抖動布置生成與所述未分辨的位的已識別的有效數(shù)成比例的所述抖動。
20.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述分辨率檢測布置包括計數(shù)器和比較器，所述計數(shù)器對已分辨的位的數(shù)量計數(shù)，以及所述比較器將所述已分辨的位的計數(shù)數(shù)量與位的總數(shù)比較并計算未分辨的位的數(shù)量以識別所述未分辨的位。
21.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述抖動布置將所述抖動添加到所述ADC輸出以將所述抖動包含在所述ADC輸出中。
22.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述抖動布置以所述抖動替代所述ADC輸出中未分辨的位以將所述抖動包含在所述ADC輸出中。
23.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述分辨率檢測布置比較差分逐次逼近寄存器(SAR)ADC中的真實信號與補充控制信號，并指定所述真實信號與所述補充控制信號中具有不相反極性的對應(yīng)位為未分辨的位。
24.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述分辨率檢測布置識別并行ADC的溫度計碼輸出中的氣泡，并將與所述氣泡關(guān)聯(lián)的位指定為所述未分辨的位。
25.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述ADC向所述分辨率檢測布置發(fā)送位分辨狀態(tài)信號，所述分辨率檢測布置根據(jù)所述位分辨狀態(tài)信號來識別所述未分辨的位。
26.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述分辨率檢測布置向所述抖動布置發(fā)送信號以包含與所述未分辨的位的有效數(shù)成比例的抖動。
27.如權(quán)利要求18所述的電路，還包括圖像捕獲裝置，其中所述圖像捕獲裝置向所述ADC提供模擬圖像信號，以及所述ADC、所述分辨率檢測布置和所述抖動布置生成數(shù)字圖像輸出。
28.如權(quán)利要求27所述的電路，其中所述圖像捕獲裝置是數(shù)字攝像器。
29.如權(quán)利要求27所述·的電路，其中所述圖像捕獲裝置被包含在計算裝置中。
【文檔編號】H03M1/20GK103828242SQ201280025075
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月6日
【發(fā)明者】R·A·卡普斯塔, D·林, Y·德門杰 申請人:美國亞德諾半導(dǎo)體公司