CONVERTISSEUR ANALOGIQUE-NUMÉRIQUE À RAMPE APTE À FOURNIR DIRECTEMENT UNE MOYENNE DE DEUX SIGNAUX |
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申请号 | EP15723174.7 | 申请日 | 2015-05-04 | 公开(公告)号 | EP3140910B1 | 公开(公告)日 | 2018-07-04 |
申请人 | Pyxalis; | 发明人 | SAINT MARTIN, Laurent; CHENEBAUX, Grégoire; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | L'invention concerne les convertisseurs analogiques-numériques à rampe, utilisés notamment, mais non exclusivement, dans des capteurs d'image matriciels pour fournir une valeur numérique représentative d'un niveau d'éclairement d'un pixel. Les convertisseurs analogiques-numériques à rampe utilisent
Le contenu du compteur est une représentation numérique de la différence entre la tension utile et la tension de référence. Dans un capteur d'image, la tension de référence peut être une tension échantillonnée sur un conducteur de colonne après une opération de réinitialisation d'un pixel, et la tension utile est la tension échantillonnée sur ce même conducteur de colonne dans une opération de lecture des charges engendrées dans le pixel par l'éclairement. Pour différentes raisons sur lesquelles on reviendra plus loin, on peut avoir besoin de convertir deux tensions utiles et de faire la moyenne des résultats de la conversion. Pour donner un exemple rapide, on peut vouloir convertir simultanément les signaux issus de deux pixels voisins dans un capteur matriciel et obtenir la moyenne des résultats ; on regroupe les valeurs données par deux pixels voisins lorsqu'il n'y a pas beaucoup de lumière et qu'on accepte de perdre en résolution d'image. Dans un autre exemple, on peut vouloir réduire les bruits de lecture des pixels en prenant deux échantillons successifs de la tension à convertir, en convertissant ces deux tensions et en faisant la moyenne des résultats de la conversion. Dans ces deux exemples, la solution consiste à faire deux conversions analogiques-numériques (simultanées ou non) et à faire une addition numérique des résultats des deux conversions. Cependant, cette solution nécessite un traitement de valeurs numériques qui est lourd et encombrant dans un circuit intégré, par exemple lorsqu'il faut effectuer ce traitement sur des centaines de colonnes d'une matrice. Les documents Pour permettre de faire une moyenne de deux mesures de manière plus simple, l'invention propose un procédé de conversion analogique-numérique utilisant un convertisseur à rampe, dans lequel
caractérisé en ce que :
Le contenu du compteur représente alors une moyenne numérique de deux différences de tension analogiques qui sont la différence entre les deux premiers échantillons de tension appliqués au premier comparateur et les deux autres échantillons de tension appliqués au deuxième comparateur. Ce procédé est mis en oeuvre par un convertisseur analogique-numérique à rampe qui comporte un circuit établissant une rampe de tension, un compteur incrémenté par un signal d'horloge à une fréquence F à partir d'un instant de début de la rampe, un comparateur pour comparer deux échantillons de tension dont l'un est additionné à la rampe, caractérisé en ce que le convertisseur comporte un deuxième comparateur pour comparer deux autres échantillons de tension dont l'un est additionné à une rampe identique à la première rampe, un circuit logique de sélection de fréquence de comptage du compteur, commandé par les comparateurs, pour sélectionner la fréquence F au début de la rampe et sélectionner une fréquence moitié F/2 dès le basculement d'un des comparateurs, et un moyen pour mémoriser le contenu du compteur au moment du basculement de l'autre comparateur. Dans une première utilisation, les deux comparateurs reçoivent des échantillons d'une même différence de tensions à convertir, c'est-à-dire un premier couple d'échantillons des tensions dont la différence doit être convertie et un second couple d'échantillons de ces tensions. Le bruit de conversion est réduit par l'obtention d'une moyenne de deux conversions sans que cette moyenne nécessite deux conversions suivies d'une addition numérique. Les échantillons de la même différence de tensions à convertir peuvent être des échantillons pris au même instant ou des échantillons pris à deux instants différents, de préférence à deux instants très rapprochés. Dans une deuxième utilisation, les deux comparateurs reçoivent des échantillons simultanés de deux différences de tension différentes (mais voisines) et le convertisseur fournit une valeur qui est la moyenne de ces deux différences. Dans le cas d'un capteur d'image, les différences de tension à convertir sont fournies par des conducteurs de colonne (reliant les pixels d'une même colonne) fournissant successivement un potentiel représentant un niveau de réinitialisation du pixel (réinitialisation d'une photodiode ou d'un noeud de stockage de charges) et un potentiel représentant l'éclairement d'un pixel. Les différences de tension appliquées aux deux comparateurs proviennent alors soit d'un même conducteur de colonne (pour réduire l'influence de bruits de mesure) avec un double échantillonnage fait à quatre instants différents sur le conducteur de colonne, soit de deux conducteurs de colonne (de préférence immédiatement adjacents), avec des échantillonnages simultanés pour les deux colonnes, en vue de fournir une mesure de la moyenne des éclairement reçus par deux pixels. De manière générale, dans cette description, on considère que le convertisseur convertit des échantillons de tension, étant entendu que l'un des échantillons de tension peut être indifféremment soit une tension fixe donnée par une source de référence sans qu'il soit besoin d'un échantillonneur, soit un échantillon de tension variable fourni par un échantillonneur bloqueur. On peut généraliser l'invention dans le but de faire une moyenne de plus de deux mesures. Dans ce cas, l'invention propose un procédé de conversion analogique-numérique utilisant un convertisseur à rampe, dans lequel
caractérisé en ce que :
Le contenu du compteur représente alors une moyenne numérique de N différences de tension analogiques qui sont les différences de tension entre les couples d'échantillons de tension appliqués aux N comparateurs. Le convertisseur analogique-numérique selon l'invention comporte dans ce cas un circuit établissant une rampe de tension, un compteur incrémenté par un signal d'horloge à une fréquence F à partir d'un instant de début de la rampe, un comparateur pour comparer deux échantillons de tension dont l'un est additionné à la rampe, caractérisé en ce que le convertisseur comporte N-1 autres comparateurs pour comparer N-1 autres échantillons de tension dont l'un est additionné à une rampe identique à la première rampe, un circuit logique de sélection de fréquence de comptage du compteur, commandé par les comparateurs, pour sélectionner la fréquence F au début de la rampe et sélectionner successivement des fréquences plus basses au fur et à mesure du basculement des comparateurs, la fréquence sélectionnée étant F(N-j)/N lorsque j comparateurs ont basculé, et un moyen pour mémoriser le contenu du compteur au moment du basculement du dernier comparateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Sur la Un comparateur de tension COMP à deux entrées E1, E2 reçoit sur ces entrées la tension variable Vin et la tension de référence Vref ; une rampe de tension linéaire croissante ou décroissante est ajoutée à l'une de ces deux tensions à partir d'un instant t0 qui définit le début de la conversion analogique-numérique. Le choix du sens de la rampe ou le choix de l'entrée à laquelle on applique la rampe est choisi en fonction du signe de la différence entre la tension variable et la tension de référence, ceci afin que les tensions appliquées aux deux entrées du comparateur deviennent égales au bout d'un temps variable qui définit la fin de la conversion. Ainsi, si la tension de référence est plus basse que la tension variable et si la rampe de tension est croissante, on est assuré que les tensions deviennent égales si on ajoute une rampe croissante à la tension de référence ou une rampe décroissante à la tension variable. Inversement, si la tension de référence est plus haute que la tension variable, il faut appliquer une rampe de tension décroissante à la tension de référence, ou alors ajouter une rampe croissante à la tension variable. Ces solutions étant équivalentes, on considérera par convention dans la suite de la description de l'invention que la tension de référence est à un niveau systématiquement plus élevé que la tension variable, que la rampe est croissante et qu'elle est additionnée à la tension variable. C'est ce qui est représenté à la Un compteur CNT compte des impulsions appliquées à une entrée d'incrémentation qui reçoit ces impulsions à une fréquence d'horloge F. Le comptage est autorisé par un signal d'autorisation EN appliqué à une entrée d'autorisation du compteur. Ce signal démarre à l'instant t0 qui définit le début de la rampe de tension. La sortie du comparateur bascule lorsque la tension sur l'entrée E1 atteint la valeur Vref du fait de la croissance de la rampe linéaire. Le basculement du comparateur déclenche alors la mémorisation du contenu du compteur, soit en arrêtant le comptage, soit en laissant le compteur continuer mais en déclenchant la mise en mémoire, dans une mémoire numérique MEM, du contenu du compteur à l'instant du basculement. Le compteur ou la mémoire contient alors une valeur représentative du temps (nombre de périodes d'horloge à fréquence F) mis pour égaliser les tensions sur les deux entrées du comparateur, donc représentative de la différence Vref-Vin dès lors que la rampe est linéaire. La Les conducteurs de colonne de la matrice sont reliés chacun à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique à rampe respectif. Pour simplifier le schéma de la Enfin, on a représenté sur la La Le conducteur de colonne COL est relié à un circuit d'échantillonnage double qui prélève deux échantillons de tension sur ce conducteur. Le premier échantillon Vr est une tension de réinitialisation du pixel. Cet échantillon est appliqué à une capacité d'échantillonnage Cr par la fermeture d'un interrupteur Kr à un moment où le conducteur de colonne reçoit du pixel un niveau de réinitialisation représentant une absence d'éclairement du pixel. Ce niveau est fourni par une photodiode ou un noeud de stockage temporaire de charges du pixel après que cette photodiode ou ce noeud aient été portés à un potentiel fixe de réinitialisation. Le deuxième échantillon de tension Vs est un niveau de tension utile représentant l'éclairement du pixel. Il est appliqué à une autre capacité Cs par la fermeture d'un interrupteur Ks à un moment où le conducteur de colonne reçoit du pixel une tension représentant son éclairement. Ce niveau est fourni par la photodiode après un temps d'intégration, ou par le noeud de stockage temporaire de charges après que les charges d'une photodiode aient été transférées dans ce noeud. Les échantillons de tension Vr et Vs sont bloqués et maintenus dans les capacités Cr et Cs par l'ouverture des interrupteurs respectifs Kr et Ks. La capacité Cr est connectée entre l'entrée E2 du comparateur COMP et une masse à potentiel zéro. La capacité Cs est connectée entre l'entrée E1 du comparateur et la sortie d'un générateur de rampe de tension linéaire. Par exemple, le générateur produit une rampe VRMP à partir de la charge d'une capacité CRMP par une source de courant constant IRMP. La capacité CRMP est par exemple reliée à la masse. La sortie du générateur est prise au point de jonction de la capacité CRMP et de la source de courant. La capacité CRMP peut être court-circuitée par un interrupteur KRMP. L'ouverture de cet interrupteur sous l'action d'un signal d'autorisation EN à un instant t0 autorise la charge de la capacité CRMP et fait monter linéairement le potentiel de l'entrée E1 du comparateur à partir de la tension qui a été échantillonnée dans la capacité Cs. Le compteur reçoit un signal d'horloge clk à fréquence F. Le comptage est déclenché par le même signal d'autorisation EN qui sert à commander l'ouverture de l'interrupteur KRMP, c'est-à-dire par le signal qui déclenche le début de la conversion analogique-numérique en démarrant la rampe. La sortie du comparateur COMP bascule lorsque la tension VS+VRMP sur l'entrée E1 atteint la valeur de la tension de référence Vr sur l'entrée E2. Le basculement déclenche la mémorisation du contenu du compteur dans la mémoire MEM. On notera qu'on peut dédoubler la mémoire pour accélérer le fonctionnement du capteur : chaque convertisseur possède deux mémoires, l'une pouvant être utilisée en lecture pendant que l'autre est utilisée en écriture et réciproquement ; le basculement du comparateur déclenche la mémorisation à chaque nouvelle conversion alternativement dans l'une des mémoires puis dans l'autre. Cette constitution avec deux mémoires n'est pas liée à la présente invention et ne sera pas décrite plus en détail. On notera que dans certains cas, on pourrait prévoir qu'une tension fixe de référence est appliquée à l'entrée E2 à la place d'une tension échantillonnée provenant du conducteur de colonne. La La sélection de la ligne contenant le pixel place une tension sur le conducteur de colonne. La tension est une tension Vr représentant un niveau de réinitialisation du pixel ou une tension utile Vs représentant l'éclairement selon le moment où on se place. On supposera ici que le niveau de réinitialisation et le niveau utile sont lus sur un noeud de stockage temporaire de charges du pixel, relié par l'intermédiaire d'un transistor de lecture du pixel au conducteur de colonne lors de la sélection de la ligne. Dans l'exemple représenté à la Le transfert de charges représentant l'éclairement, depuis la photodiode du pixel vers le noeud de stockage temporaire, cause une chute du potentiel du conducteur de colonne ; on applique alors à l'interrupteur Ks un bref signal SHS de commande de fermeture, ce qui échantillonne dans la capacité Cs le niveau de tension utile Vs représentant l'éclairement. La capacité Cs applique ce niveau de tension à l'entrée E1 du comparateur. L'état de la sortie du comparateur est représenté sur la ligne COMP ; par convention on considère que c'est un état bas à l'instant t0 de début de la rampe. A l'instant t0, on déclenche la rampe de tension linéaire croissante qui fait monter à partir de Vs le potentiel VE1 = VS+VRMP de l'entrée E1. On déclenche également à l'instant t0 le comptage par le compteur CNT ; le comptage est incrémenté à la cadence donnée par une horloge à fréquence F. Des chiffres arbitraires sont indiqués sur la A un instant t1, lorsque la tension VE1 atteint la valeur Vr, le comparateur bascule et déclenche la mise en mémoire du contenu du compteur. Sur la Le comparateur est remis dans son état initial au début d'une séquence de lecture et conversion suivante ou bien il y revient naturellement au moment de l'échantillonnage du niveau de réinitialisation par le signal SHR. La Pour une valeur théorique donnée Vr et une valeur théorique Vs, l'instant du croisement peut varier entre deux instants limites t1MIN et t1MAX. Un croisement à l'instant t1MIN se produit dans la configuration extrême où Vr est à un niveau réel au plus bas compte-tenu du bruit alors que Vs est à un niveau au plus haut compte-tenu du bruit. Inversement, un croisement à l'instant t1MAX se produit dans la configuration extrême où Vr est à un niveau réel au plus haut compte-tenu du bruit alors que Vs est à un niveau au plus bas compte-tenu du bruit. Le basculement du comparateur peut donc intervenir comme on le voit sur la Le bruit peut provenir de phénomènes en amont du convertisseur, mais aussi de l'offset du comparateur et d'autres sources de bruit à l'intérieur du convertisseur. Pour minimiser l'effet de ce bruit, l'invention propose un procédé qu'on comprendra en se référant à la Ce procédé consiste à utiliser deux échantillonneurs qui prélèvent chacun un couple d'échantillons de la même mesure, et deux comparateurs COMP et COMP', mais un seul compteur CNT pour compter une valeur qui représente la moyenne des deux différences d'échantillons, sans avoir besoin de convertir chacun des couples d'échantillons en vue de les additionner numériquement. Par couple d'échantillons, on entend ici l'échantillon Vr et l'échantillon Vs. Les quatre échantillons peuvent être pris à quatre instants différents. On considère ici qu'ils sont pris à quatre instants différents. Les deux échantillonneurs sont identiques à celui de la Le croisement des courbes VE1 et VE2 sur la Selon l'invention, dès qu'un comparateur bascule, que ce soit le premier ou le deuxième, on divise par deux la fréquence de comptage du compteur. On compte donc plus lentement. Dès que l'autre comparateur bascule, on relève le contenu du compteur, c'est-à-dire qu'on stocke dans la mémoire MEM le contenu du compteur. Ce contenu est une moyenne des deux échantillonnages et cette moyenne est directement inscrite dans la mémoire, sans qu'il y ait besoin d'obtenir une valeur numérique pour le premier échantillon et une valeur numérique pour le deuxième. Cette moyenne réduit l'incertitude sur la mesure en présence de bruit. Ainsi, dans l'exemple de la La Les sorties des comparateurs sont considérées comme actives au niveau logique haut après basculement. Elles sont reliées aux deux entrées de la porte OU 10. La sortie de la porte OU active un commutateur SW qui aiguille vers l'entrée de commande d'incrémentation du compteur soit une horloge à fréquence F (sortie de porte OU au niveau bas) soit une horloge à fréquence F/2 (sortie de porte OU au niveau haut). Initialement, la fréquence de comptage est F. Elle devient F/2 dès le basculement de l'un des comparateurs. Par ailleurs les sorties des comparateurs sont reliées aux entrées de la porte ET. La sortie de la porte ET reste au niveau bas jusqu'à ce que les deux comparateurs aient basculé. Lorsqu'elle passe au niveau haut, elle commande le stockage du contenu du compteur dans la mémoire. Ce principe de mesure directe de moyenne de deux signaux peut être généralisé à la mesure de la moyenne de N signaux où N est supérieur à 2. Par exemple, N peut aller de 3 à 10. Dans ce cas, on utilise N comparateurs et non pas deux. Chaque comparateur de rang i reçoit un couple d'échantillons respectif de rang i, Vir, Vis, parmi N couples pour lesquels on veut obtenir directement une valeur numérique de la moyenne des différences Vir-Vis. Les sorties des comparateurs sont reliées aux entrées d'un circuit logique plus complexe que celui de la Le basculement du dernier comparateur déclenche la mémorisation du contenu du compteur, et ce contenu représente la moyenne des N signaux, c'est-à-dire la moyenne de N différences de tension Vir-Vis. La Par exemple, dans une matrice de pixels, on souhaite regrouper en une seule valeur moyenne les mesures fournies par deux pixels adjacentes d'une même ligne de pixels. C'est le cas en particulier lorsqu'il y a peu de lumière et qu'on veut augmenter la sensibilité au détriment de la résolution. Au moment de la sélection de la ligne, les deux pixels adjacents fournissent sur deux conducteurs de colonne adjacents COLi et COLi+1 des tensions de réinitialisation (Vri, Vsi) puis des tensions utiles (Vri+1, VSi+1) ; les tensions de réinitialisation sont échantillonnées par un signal commun SHR ; les tensions utiles sont échantillonnées par un signal SHS. Les signaux correspondant à la colonne de rang i sont appliqués à l'échantillonneur-bloqueur associé au comparateur COMP, et les signaux correspondant à la colonne de rang i+1 sont appliqués à l'échantillonneur-bloqueur associé au comparateur COMP'. Selon la valeur des différences d'échantillons, c'est le comparateur COMP ou le comparateur COMP' qui bascule en premier au cours de la rampe commune. Le compteur qui comptait à la fréquence F compte à la fréquence F/2 à partir du basculement. Lorsque l'autre comparateur bascule, le contenu du compteur est mis en mémoire. Il représente la moyenne des mesures des deux pixels (moyenne entre la différence VSi - Vri des échantillons issus de la colonne de rang i et la différence VSi+1 - Vri+1 des échantillons issus de la colonne de rang i+1). Si on veut que le circuit de la
L'agencement de ces commutateurs n'est donné qu'à titre d'exemple, pour faire comprendre le changement de mode, bien d'autres circuits logiques d'aiguillage pouvant être imaginés. |