CN101938279A - 一种模数转换电路、模数转换方法及图像处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于图像信号处理领域，提供了一种模数转换电路、模数转换方法及图像处理系统，模数转换电路包括：比较器，其具有第一输入端口、第二输入端口；第一输入端口用以接收从多个CIS像素之一输出的信号电压与参考电压的叠加电压信号；第二输入端口用以接收从多个CIS像素之一输出的重置电压信号；比较器将接收到的所述信号电压与参考电压的叠加电压信号与重置电压信号进行比较，当信号电压与参考电压的叠加电压信号高于所述重置电压信号时，比较器输出溢出传感信号；以及数字转换器，根据所述比较器的输出的溢出传感信号将所述CIS像素之一输出的光电信号转换为数字信号。

Description

一种模数转换电路、模数转换方法及图像处理系统

技术领域

本发明属于图像信号处理领域，尤其涉及一种模数转换电路、模数转换方法及图像处理系统。

背景技术

随着CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor，CIS)像素阵列的规模越来越大，信号处理速度的要求也越来越高；同时由于像素点尺寸的不断缩小，传感器灵敏度和信噪比都在不断下降；逐个像素读出和转换的电路设计越来越难，难以满足大像素阵列和低噪声的要求；因此，基于列模数转换(Column Level，ADC)的信号采集与转换电路产生了。

现有的列模数转换电路是逐行分别对像素点的重置电压(Reset Level)和信号电压(Signal Level)进行采样和转换，转换完成后再将重置电压和信号电压的数字值相减实现数字双采样(Digital CDS)，得到一个亮度值；由于重置电压和信号电压在转换为数字信号之后才进行相减，这样不利于降低噪声和提高动态范围。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种模数转换电路，旨在解决采用现有的模数转换电路导致随机噪声大的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路包括：

比较器，其具有第一输入端口、第二输入端口；所述第一输入端口用以接收从多个CIS像素之一输出的信号电压与参考电压的叠加电压信号；所述第二输入端口用以接收从多个CIS像素之一输出的重置电压信号；所述比较器将接收到的所述信号电压与参考电压的叠加电压与所述重置电压信号进行比较，当所述信号电压与参考电压的叠加电压信号高于所述重置电压信号时，所述比较器输出溢出传感信号；所述信号电压与参考电压的叠加电压为：Vramp+Vsignal-Vramp0，其中Vramp为参考电压，Vsignal为信号电压，Vramp0为参考电压的初始值；以及

数字转换器，根据所述比较器的输出的溢出传感信号将所述CIS像素之一输出的光电信号转换为数字信号。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述模数转换电路实现的模数转换方法，包括：比较器的第一输入端口接收从多个CIS像素之一输出的信号电压与参考电压的叠加电压信号；比较器的第二输入端口从多个CIS像素之一输出的重置电压信号；

参考电压在一定的时间内依顺序扫描到预定动态范围内的所有电压；比较器将所述信号电压与参考电压的叠加电压信号与所述重置电压信号进行比较，当所述信号电压与参考电压的叠加电压信号高于所述重置电压信号时，由比较器输出溢出传感信号；

数字转换器输出并存储所述溢出传感信号产生时与光电荷相对应的数字数据。

本发明实施例的另一目的还在于提供一种采用上述模数转换电路实现的图像处理系统。

本发明实施例提供的模数转换电路采用比较器，将信号电压与参考电压的叠加电压信号与重置电压进行比较后输出溢出传感信号，避免了固定模式噪声(FPN)，同时提高了动态范围和转换速度，降低了图像噪声，且便于实现模拟域图像Gamma校正。

附图说明

图1是本发明实施例提供的模数转换电路的电路图；

图2是本发明实施例提供的模数转换电路的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的模数转换电路主要应用于图像处理系统中，其电路如图1所示，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下。

模数转换电路包括：比较器1以及数字转换器3，其中比较器1具有第一输入端口IN1、第二输入端口IN2；所述比较器1将接收到的所述信号电压与参考电压的叠加电压与所述重置电压信号进行比较，当所述信号电压与参考电压的叠加电压信号高于所述重置电压信号时，所述比较器1输出溢出传感信号；所述信号电压与参考电压的叠加电压为：Vramp+Vsignal-Vramp0，其中Vramp为参考电压，Vsignal为信号电压，Vramp0为参考电压的初始值。

数字转换器3根据将比较器1输出的溢出信号将从多个CIS之一输出的光电信号转换为数字信号并储存。作为本发明的一个实施例，上述多个CIS像素包括在CIS的主动式像素传感器(Active Pixel Sensor，APS)中。

作为本发明的一个实施例，模数转换电路还包括：第一电容C1，连接至比较器1的第一输入端口IN1与参考电压，用于存储从多个CIS像素之一输出的信号电压信号与参考电压的叠加电压信号Vramp+Vsignal-Vramp0；第二电容C2连接至比较器1的第二输入端口IN2与地之间，用于存储从CIS像素之一输出的重置电压与比较器1的失调电压的叠加信号：Vreset-Voffset1，其中Vreset为重置电压，Voffset1为比较器1的失调电压，用以在数模转换阶段时对比较器1进行失调校正；第一开关S1连接至第一节点10与光电荷输入端口之间，在重置采样时段和信号采样时段中被接通，其中光电荷输入端口接收从CIS像素输出的光电荷信号；第二开关S2连接至第二输入端口与比较器1的输出端之间，在重置采样时段被接通，第四开关S4连接至参考电压与第一输入端口之间，在模数转换阶段被接通。

在本发明实施例中，模数转换电路还包括：反相器2，连接至比较器1与数字转换器3之间，将比较器1的输出反相放大后输出；第三开关S3，与反相器2并行连接，在重置采样时段被接通；连接至第三节点12与第四节点13之间的第三电容C3，用于存储反相器2的失调电压以及比较器1和反相器2之间的电平差，用以对反相器2进行失调校正。作为本发明的一个实施例，模数转换电路还包括与反相器2串联连接的一个或多个反相器以及连接在每个反相器之间的电容器。

作为本发明的一个实施例，数字转换器3进一步包括：计数器32，在时钟控制下输出与参考差分电压同步对应的数字数据；存储器33，其写入端W连接至比较器1的输出端，其数据端Data与计数器32的输出端连接，当比较器1输出溢出传感信号时，存储计数器32输出的与参考电压同步对应的数字数据；由其读出端R读出转换结果。

作为本发明的一个实施例，数字转换器进一步包括：单脉冲发生器31，连接至比较器1与存储器33之间，将比较器1的输出转换为单脉冲信号。

图2示出了本发明实施例提供的模数转换电路的波形图，包括第一开关S1，第二开关S2，第三开关S3，第五节点14，第六节点15，以及参考电压的波形图，现结合图1、图2详述模数转换电路的工作原理：

在重置采样时段之前，APS中的多个CIS像素之一输出重置电压；在重置采样时段中，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3均处于高电平状态，即第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3均导通，此时，参考电压为起始参考电压；APS中的多个CIS像素之一输出的重置电压送到比较器1的正输入端口IN1，而比较器1的输出端与负输入端口IN2被短接，反相器2也被短接；当重置电压采样时段结束时，第一电容器C1保存了重置电压与起始参考电压之差(Vreset-Vramp0)，第二电容器C2保存了第一电容器的电压与比较器的失调电压之差(Vreset-Voffset1)，第三电容器C3保存了重置电压采样时段比较器1的输出电压与反相器2的平衡电压之差；当重置电压采样时段结束后，第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3均处于低电平状态，即第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3均关断，此时，APS的输出变为光信号电压。

接下来进入信号采样时段，此时第一开关S1处于高电平状态，而第二开关S2和第三开关S3均处于低电平状态，即第一开关S1再次导通，第二开关S2和第三开关S3关断，APS输出的信号电压Vsignal被送到比较器1的正输入端口IN1，并与起始参考电压Vramp0一起存储于第一电容器C1中即Vc1＝Vsignal-Vramp0；当信号采样时段结束后，第一电容器C1保存了信号电压，而第二电容器C2和第三电容器C3中保存的内容不变。

之后便进入模数转换阶段，信号采样时段结束的同时，第四开关S4导通，比较器1的正输入端口输入的电压为：Vramp+Vsignal-Vramp0，负输入端口输入的电压为：Vreset-Voffset1，且由于比较器1的正输入端电压V+等于负输入端电压V-加上Voffet1，所以有：Vramp+Vsignal-Vramp0＝Vreset-Voffset1+Voffset1；所以有：Vramp+Vsignal-Vramp0＝Vreset。此时，参考电压Vramp开始变化，它将在一定的时间内依顺序扫描到预定动态范围内的所有电压；计数器32也开始计数，在一定的时间内依顺序扫描到预定动态范围内的所有电压所对应的数字数据。

比较器1将输入到第一输入端口IN1的信号电压与参考电压的叠加电压信号与输入到第二输入端口IN2的电压信号进行比较，并输出比较的结果。当参考电压上升到同向输入端的电压高于反向输入端的电压时，比较器1和反相器2相继翻转，单脉冲发生器31产生一个单脉冲；与此同时，计数器32的输出恰好为该参考电压所对应的数字数据，存储器33将此数据保存下来，存储器33为一组存储器，用于存储光信号电压转换成的数字数据，计数器32根据设置的光信号电压范围对时钟进行计数，并转换成数字数据送到存储器33的数据端Data；当某列的单脉冲发生器31输出单脉冲时，存储器33的数据端Data上正好是该列光信号电压所对应的数字数据，此时该列的存储器将此数字数据保存下来，完成该列的模数转换。直至参考电压扫描到了预定动态范围内的所有电压，计数器32也相应地扫描到了预定动态范围内的所有电压所对应的数字数据，那么所有列的模数转换都已经完成。

本发明实施例提供的模数转换电路采用比较器，将信号电压与参考电压的叠加电压信号与重置电压进行比较后输出溢出传感信号，避免了固定模式噪声(FPN)，降低了功耗和成本，同时提高了动态范围和转换速度，降低了图像噪声，且便于实现模拟域图像Gamma校正。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路包括：

比较器，其具有第一输入端口、第二输入端口；所述第一输入端口用以接收从多个CIS像素之一输出的信号电压与参考电压的叠加电压信号；所述第二输入端口用以接收从多个CIS像素之一输出的重置电压信号；所述比较器将接收到的所述信号电压与参考电压的叠加电压与所述重置电压信号进行比较，当所述信号电压与参考电压的叠加电压信号高于所述重置电压信号时，所述比较器输出溢出传感信号；所述信号电压与参考电压的叠加电压为：Vramp+Vsignal-Vramp0，其中Vramp为参考电压，Vsignal为信号电压，Vramp0为参考电压的初始值；

数字转换器，根据所述比较器的输出的溢出传感信号将所述CIS像素之一输出的光电信号转换为数字信号。

2.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述多个CIS像素包括在CIS的主动式像素传感器APS中。

3.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路还包括：

第一电容，连接至所述比较器的第一输入端口与参考电压之间，用于存储所述信号电压与参考电压的叠加电压信号；

第二电容，连接至所述比较器的第二输入端口与地之间，用于存储所述重置电压与所述比较器的失调电压的电压差；

第一开关，连接至第一节点与光电荷输入端口之间，在重置采样时段和信号采样时段中被接通，其中所述光电荷输入端口接收从图像传感器像素输出的光电荷信号；第一节点为第一电容与第一输入端口的连接点；

第二开关，连接至所述所述第二输入端口与比较器的输出端之间，在重置采样时段被接通；以及，

第四开关，连接至参考电压与第一输入端口之间，在模数转换阶段被接通。

4.如权利要求3所述的模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路还包括：

反相器，连接至所述比较器与所述数字转换器之间，将所述比较器的输出反相放大后输出；以及

第三开关，与所述反相器并行连接，所述第三开关在重置采样时段被接通；

第三电容，连接至所述比较器的输出端与所述反相器的输入端之间，用于存储所述反相器的失调电压以及所述比较器与所述反相器之间的电平差。

5.如权利要求4所述的模数转换电路，其特征在于，所述模数转换电路还包括与所述反相器串联连接的一个或多个反相器以及连接至所述比较器与所述反相器之间的电容。

6.如权利要求1所述的模数转换电路，其特征在于，所述数字转换器进一步包括：

计数器，在时钟控制下输出与所述参考电压同步对应的数字数据；

存储器，其写入端连接至所述比较器的输出端，其数据端与所述计数器的输出端连接，当所述比较器输出溢出传感信号时，存储所述计数器输出的与所述参考电压同步对应的数字数据；由其读出端读出转换结果。

7.如权利要求6所述的模数转换电路，其特征在于，所述数字转换器进一步包括：

单脉冲发生器，连接至所述比较器与所述存储器之间，将所述比较器的输出转换为单脉冲信号。

8.一种采用权利要求1的模数转换电路实现的模数转换方法，其特征在于，所述方法包括：

比较器的第一输入端口接收从多个CIS像素之一输出的信号电压与参考电压的叠加电压信号；比较器的第二输入端口从多个CIS像素之一输出的重置电压信号；

参考电压在一定的时间内依顺序扫描到预定动态范围内的所有电压，比较器将所述信号电压与参考电压的叠加电压信号与所述重置电压信号进行比较，当所述信号电压与参考电压的叠加电压信号高于所述重置电压信号时，由比较器输出溢出传感信号；

数字转换器，根据所述比较器的输出的溢出传感信号将所述CIS像素之一输出的光电信号转换为数字信号。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

在比较器在接收从多个CIS像素之一输出的信号电压与参考电压的叠加电压信号同时，对所述比较器进行失调校准。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

由反相器对所述比较器输出的溢出传感信号进行放大和电平变换。

11.一种采用权利要求1-7任一项所述的模数转换电路实现的图像处理系统。

Images