CN102137236B

CN102137236B - 图像感测系统及其相关放大/数字化电路

Info

Publication number: CN102137236B
Application number: CN201010105882.XA
Authority: CN
Inventors: 印秉宏; 陈世峰
Original assignee: VIA SHANGHENGJING TECHNOLOGY CORP
Current assignee: VIA SHANGHENGJING TECHNOLOGY CORP; Himax Imaging Inc
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: CN102137236A

Abstract

具有信号放大功能与比较器功能的放大/数字化电路。所述放大/数字化电路包含具有输入端以及输出端的放大器，以及控制电路。所述控制电路耦接于所述放大器的所述输入端以及所述输出端。当所述放大/数字化电路操作于放大模式，所述控制电路具有第一组态，以接收第一输入信号并控制所述放大器依据所述第一输入信号及放大系数以于所述放大器的所述输出端产生输出电压。当所述放大/数字化电路操作于模拟数字转换模式，所述控制电路具有第二组态，以接收第二输入信号并控制所述放大器依据所述第二输入信号及所述输出电压来产生比较结果。

Description

图像感测系统及其相关放大/数字化电路

技术领域

本发明涉及图像传感器，尤其涉及一种图像感测系统及其相关放大/数字化电路。

背景技术

在图像处理系统中，模拟数字转换器(AD C)扮演了不可或缺的重要角色，且被广泛地使用于各种不同的应用领域之中，例如：在互补金属氧化物半导体（CM O S）图像感测系统（CIS）中，模拟数字转换器被应用来将所接收的感测信号由模拟形式转换为数字形式，而模拟数字转换器根据其内部的电路结构，可更进一步被细分为快闪式（flash）模拟数字转换器、斜坡式（ramp）模拟数字转换器、（pipelined）管线式模拟数字转换器以及连续渐进式（successive approxim ation）模拟数字转换器等等。

参阅图1，图1所示为现有图像感测系统100的示意图，图像感测系统100包含有传感器阵列(sensor array)110、行放大器（colum n amplifier)120、模拟数字转换器130，以及图像处理器140；经由传感器阵列110所产生的感测信号会先经由行放大器120进行信号放大，而后由模拟数字转换器130将该信号由模拟形式转为数字格式。在传统技术中，图像感测系统100内的模拟数字转换器130一般采用斜坡式模拟数字转换器。

然而，由于现有的模拟数字转换器结构缺乏信号放大的功能，这使得传统的图像感测系统100必须额外使用一组信号放大电路来当作行放大器120，以改善信噪比（Signalto Noise Ratio，SNR）并提升图像感测系统100的图像质量。

因此，提出崭新的电路结构以及方法来提供具有更小的电路面积以及更好的性能的方案是大众所引颈期盼的。

发明内容

因此本发明的一目的在于藉由使用单一功率放大器来提供放大/数字化电路，在节省功率消耗与节省所需电路面积的同时，还提升整体效能，以及其相关的图像感测系统。

根据本发明的一实施例，其揭露一放大/数字化电路，其包含有：

放大器，其具有输入端以及输出端；以及

控制电路，耦接于所述放大器的所述输入端以及所述输出端，其中当所述放大/数字化电路操作于放大模式时，所述控制电路具有第一组态以接收第一输入信号并控制所述放大器依据所述第一输入信号与放大系数于所述输出端产生输出电压；以及当所述放大/数字化电路操作于模拟数字转换模式时，所述控制电路具有第二组态，用以接收第二输入信号并控制所述放大器依据所述第二输入信号及所述输出电压以产生比较结果，其中所述控制电路包含有：

第一电容，其包含有：

第一节点，耦接于所述第一输入信号；以及

第二节点，耦接于所述放大器的所述输入端；

第二电容，其包含有：

第一节点，耦接于所述放大器的所述输入端；以及

第二节点；

第一开关，耦接所述第一电容的所述第二节点以及所述放大器的所述输入端；

第二开关，耦接于所述放大器的所述输入端以及所述放大器的所述输出端；

第三开关，耦接于所述放大器的所述输出端以及所述第二电容的所述第二节点；以及

第四开关，耦接于所述第二电容的所述第二节点以及所述第二输入信号；

其中于所述放大模式下，所述第一开关以及所述第三开关为导通（连接）状态而所述第二开关以及所述第四开关为非导通（不连接）状态，以及于所述模拟数字转换模式下，所述第四开关为导通状态，而所述第一开关、所述第二开关与所述第三开关为非导通状态。

根据本发明的另一实施例，其揭露一种放大/数字化电路，其包含有：

放大器，其具有输入端以及输出端；

第一电容，其包含有：

第一节点，耦接于第一输入信号；以及

第二节点，耦接于所述放大器的所述输入端；

第二电容，其包含有：

第一节点，耦接于所述放大器的所述输入端；以及

第二节点；

第一开关，耦接于所述第一电容的所述第二节点以及所述放大器的所述输入端；

第四开关，耦接于所述第二电容的所述第二节点以及第二输入信号。

根据本发明的另一实施例，其揭露一种图像感测系统，其包含有：

阵列式传感器，用以感测光子并输出电子信号；以及

放大/数字化电路，用以放大并数字化所述电子信号以据此输出数字信号，所述放大/数字化电路包含有：

放大器，其具有输入端以及输出端；

第一电容，其包含有：

第一节点，耦接于第一输入信号；以及

第二节点，耦接于所述放大器的所述输入端；

第二电容，其包含有：

第一节点，耦接于所述放大器的所述输入端；以及

第二节点；

附图说明

图1所示为现有图像感测系统100的示意图；

图2所示为根据本发明的一实施例的图像感测系统的框图示意图；

图3所示为本发明的放大/数字化电路的一实施例的框图示意图；

图4所示为图3的放大/数字化电路300于重置模式下的组态的一实施例的示意图；

图5所示为图3的放大/数字化电路300于放大模式下的组态的一实施例的示意图；

图6所示为图3的放大/数字化电路300于模拟数字转换模式下的组态的一实施例的示意图；

图7所示为采用了本发明的放大/数字化电路来实施的一斜坡式模拟数字转换器其运作的时序示意图；

图8所示为本发明的放大/数字化电路300接连操作于重置模式、放大模式，以及模拟数字转换模式下的时序信号示意图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及后续的权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的「包含」为开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

因此本发明的一实施例即提供了一种放大/数字化电路，其使用了单一功率放大器来提供信号放大功能以及模拟数字转换功能，另外，本发明另提供了采用本发明的放大/数字化电路的图像感测系统。藉由控制放大/数字化电路中各个开关的导通（开/关）状态，本发明的放大/数字化电路得以在放大模式以及模拟数字转换模式中分别执行信号放大功能以及模拟数字转换功能。换言之，本发明所揭露的放大/数字化电路同时提供了低功率消耗以及小尺寸面积的优势。

参阅图2，图2所示为根据本发明的一实施例的图像感测系统200的框图示意图。如图所示，图像感测系统200包含有阵列式传感器（srnsor array）210，以感测光子并将所感测的光子转换为对应的电子信号；而放大/数字化电路220用以对电子信号进行信号放大的运作，以及对放大后的电子信号进行模拟/数字转换以据此产生数字信号；图像处理器230处理数字信号并产生输出数据。由于阵列式传感器与图像处理器的结构及其运作原理为本领域技术人员所熟知，在此便为了简明起见，不再赘述。

同时参照图2以及图3，图3所示为本发明的放大/数字化电路（如图2中的放大/数字化电路220）的一实施例的框图示意图。如图所示，放大/数字化电路300包含有放大器310、控制电路320以及计数器330。放大/数字化电路300可依照控制电路320的控制而分别操作在重置模式、放大模式，或是模拟数字转换模式之中。在本发明的一实施例中，放大器310可选择使用运算放大器（operaticnal am plifier)；如此一来，放大器310在放大模式下得以对经由阵列式传感器210输出的感测信号进行放大，之后，在模拟数字转换模式下使用放大器310来执行比较运作。

在本实施例中，控制电路320包含有，但不限定于，第一电容C1、第二电容C2、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3，以及第四开关SW4。第一电容C1具有第一节点321以及第二节点322，第一电容C1的第一节点321耦接于第一输入信号S_in，而第二节点322通过第一开关SW1而耦接于放大器310的输入端312。第二电容C2具有第一节点331以及第二节点332，其中第二电容C2的第一节点331耦接于放大器310的输入端312。第一开关SW1耦接于第一电容C1的第二节点322以及放大器310的输入端312之间。第二开关SW2则耦接于放大器310的输入端312及其输出端314之间。第三开关SW3耦接于放大器310的输出端314以及第二电容C2的第二节点332。第四开关SW4耦接于第二电容C2的第二节点332以及第二输入信号V_ramp。

每次在放大/数字化电路300开始对第一输入信号S_in进行处理之前，放大/数字化电路300会先进入重置模式，以分别对放大器310及/或第一电容C1、第二电容C2进行重置。此外，如同本领域技术人员所知，图像传感器所测得的感测信号每次以列(row)为单位进行处理，且本发明的放大/数字化电路300可被使用来做为斜坡式模拟数字转换器的一部分。在每次的信号处理程序中，放大/数字化电路300将循序操作在下列三个模式之中：重置模式、放大模式，以及模拟数字转换模式。然而，经由适当的设计调整，本发明的放大/数字化电路300亦可被应用在其它种类的模拟数字转换器结构之中以提供模拟数字转换功能，前述相关设计变化亦隶属于本发明的保护范畴之中。

详细来说，放大/数字化电路300可在每次开机以及/或每次向对应到一列的感测信号进行处理之前，先进入重置模式以进行重置。接着，放大/数字化电路300即进入放大模式以根据放大系数来对经由第一电容C1的第一节点321所接收的第一输入信号Sin进行放大处理，以达到提升感测信号的信噪比的目的。之后，放大/数字化电路300进入到模拟数字转换模式来对放大后的感测信号进行数字化（digitize）运作。

在模拟数字转换模式下，放大/数字化电路300的放大器310可看做为比较器，放大器310经由第四开关SW4接收斜坡电压（亦即第二输入信号V_ramp）。相关的详细叙述将于后续说明揭露。

同时参照图2至图4，图4所示为图3的放大/数字化电路300于重置模式下的组态的一实施例的示意图。在重置模式下，控制电路310具有第一组态，其中第一开关SW1、第二开关SW2，以及第四开关SW4处于导通（连接）状态，而第三开关SW3则为非导通（不连接）状态，以对放大器310、第一电容C1，以及第二电容C2进行重置。请注意到，为了说明举例之用，在后续的说明之中，放大器310采用单端（single-ended）放大器，然而，前述的架构仅为说明之用，而不为本发明的限制条件之一。事实上，随着不同的设计需求，放大器310亦可采用差动放大器来加以实施。此外，只要能达到相同的运作条件，亦可使用不同的电路架构来实现控制电路310；任何可提供不同的组态设定已分别操作于重置模式、放大模式，以及模拟模式的控制电路以及放大/数字化电路的设计变化遵守本发明的精神且隶属于本发明的保护范畴之中。

在重置运作完成之后，放大/数字化电路300随即进入了放大模式来对感测信号进行放大处理。参照图2～图4来看图5，图5所示为图3的放大/数字化电路300于放大模式下的组态的一实施例的示意图。在放大模式中，控制电路320具有第二组态，其使得第一开关SW1与第三开关SW3操作于导通状态，而第二开关SW2和第四开关SW4操作于非导通状态，这样一来，感测信号（亦即第一输入信号S_in）可经由第一电容C1而输入至放大/数字化电路300，而进而让放大器310的输出端314处所产生的信号具有等同于

的电压准位，其中″C1″表示第一电容C1的电容值，而″C2″表示第二电容C2的电容值，″S_in”代表了第一输入信号S_in的电压准位。换言之，经由适当的选用第一电容C1和第二电容C2的电容值，即可产生适当的输出信号以提升金属氧化物半导体图像感测系统（CIS）的信噪比。

同时参照图2～图5来看图6，图6所示为图3的放大/数字化电路300于模拟数字转换模式下的组态的一实施例的示意图。于本发明的一实施例中，放大/数字化电路300整合于斜坡式模拟数字转换器之中，此斜坡式模拟数字转换器包含有斜坡电压源（亦即第二输入信号V_ramp），此电压源耦接于第四开关SW4。在模拟数字转换模式中，斜坡电压为时变信号，一旦时变斜坡信号V_ramp的电压值达到电压准位

（亦即放大模式下输出端314产生的电压值）时放大器310将输出比较结果S_out，此时比较结果S_out，具有准位转换而由第一逻辑准位（如逻辑准位″1”）转换至第二逻辑准位（如逻辑准位″0″）。

为了更详细说明本发明的运作，参照图2至图6来看图7，图7所示为采用了本发明的放大/数字化电路来实施的斜坡式模拟数字转换器其运作的时序示意图。如图所示，斜坡电压V_ramp的电压会随着计数器的计数而逐渐增加，而当斜坡电压V_ramp的电压准位达到了

（亦即放大模式下放大/数字化电路300的输出端所产生的电压大小）时，放大器310将等同于一比较器，其基于本实施例的设定将产生准位转换而由第一逻辑准位（如逻辑准位″1”）转换至第二逻辑准位（如逻辑准位″0”）。然而请注意到，前述的第一逻辑准位以及第二逻辑准位的准位值（大小）并不为本发明的限制条件之一；当放大器310的输出端314所输出的比较结果产生了准位变化，则计数器330将输出对应的模拟数字转换器输出码。由于斜坡式模拟数字转换器的结构及其运作细节系为此项技艺的人士所熟知，在此便省略而不再赘述。

请参照图2～图7来看图8，图8所示为本发明的放大/数字化电路300接连操作于重置模式、放大模式，以及模拟数字转换模式下的时序信号示意图。在重置模式中，第一开关SW1、第二开关SW2以及第四开关SW4导通，而其中第二开关SW2将会在第三开关SW3导通之前先行切换至非导通状态。在放大模式中，第四开关SW4切换至非导通状态而第三开关SW3则转换到导通模式；此时第一开关SW1维持在导通状态而第二开关SW2则不导通（关闭）。此外，在放大模式中，当第一电容C1的第一节点321处所接收的输入信号为S_in时，放大器310的输出端314所输出的信号其电压准位为

当电路运作在模拟数字转换模式下时，斜坡电压V_ramp的电压准位会随着计数器的计数而随之增加，一直到斜坡电压V_ramp的电压值达到了于稍前放大模式中所产生的放大后信号的电压准位

为止。在本实施例中，在模拟数字转换模式中，当斜坡电压V_ramp的电压准位低于放大后信号

的电压准位时，放大器310的输出端314持续输出逻辑准位″1”，而当斜坡电压V_ramp的电压值达到

时，放大器310的输出端314所产生的比较结果即产生准位转换而切换到逻辑准位″0”。

简而言之，本发明提供了一种至少可被切换于放大模式以及模拟数字转换模式之中的放大/数字化电路，以在进行比较运作之前先对接收信号进行放大处理，及采用本发明的放大/数字化电路的相关图像感测系统。在一实例中，所揭露的放大/数字化电路可应用在斜坡式模拟数字转换器中；然而，如同本领域技术人员所可轻易推知得的，经由轻微的设计调整，本发明的放大/数字化电路亦可被应用在其它种类的模拟数字转换器架构之中以藉由使用单一运算放大器来提供信号放大功能以及比较运作的功能。此外，任何使用本发明的放大/数字化电路的应用亦隶属于本发明的保护范畴之中。采用本发明的具有信号放大功能以及数字化功能的放大/数字化电路的图像感测系统亦同样隶属于本发明的保护范畴之中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种放大/数字化电路，其包含有：

放大器，其具有输入端以及输出端；以及

第一电容，其包含有：

第一节点，耦接于所述第一输入信号；以及

第二节点，耦接于所述放大器的所述输入端；

第二电容，其包含有：

第一节点，耦接于所述放大器的所述输入端；以及

第二节点；

其中于所述放大模式下，所述第一开关以及所述第三开关为导通状态而所述第二开关以及所述第四开关为非导通状态，以及于所述模拟数字转换模式下，所述第四开关为导通状态，而所述第一开关、所述第二开关与所述第三开关为非导通状态。

2.如权利要求1所述的放大/数字化电路，其中所述放大系数有关于所述第一电容与所述第二电容的电容值比。

3.如权利要求1所述的放大/数字化电路，其中所述第二输入信号是时变斜坡信号；以及当所述时变斜坡信号上升至所述输出电压时，所述放大器控制所述比较结果产生准位转换以由第一逻辑准位转换至第二逻辑准位。

4.如权利要求1所述的放大/数字化电路，其中当所述放大/数字化电路操作于重置模式时，所述控制电路具有第三组态以重置所述放大器。

5.如权利要求4所述的放大/数字化电路，其中于所述重置模式下，所述第一开关、所述第三开关以及所述第四开关为导通状态且所述第三开关为不导通状态。

6.如权利要求4所述的放大/数字化电路，其中所述放大/数字化电路循序进入所述重置模式、所述放大模式，以及所述模拟数字转换模式。

7.如权利要求1所述的放大/数字化电路，其中所述放大器是单端输入放大器。

8.如权利要求1所述的放大/数字化电路，其是以斜坡式模拟数字转换器实施的。

9.一图像感测系统，其包含有：

阵列式传感器，用以感测光子并输出电子信号；以及

权利要求1－8中任一项所述的放大/数字化电路，用以放大并数字化所述电子信号以据此输出数字信号。

10.如权利要求9所述的图像感测系统，其中于放大模式下，所述第一开关将所述电子信号连接至所述放大器的所述输入端，且所述第二开关将所述第二电容的第二端连接至所述放大器的所述输出端，使得所述放大器输出放大后信号。

11.如权利要求9所述的图像感测系统，其中于模拟数字转换模式下，所述第一开关将所述电子信号与所述放大器的所述输出端之间断开，且所述第二开关将所述第二电容的所述第二节点连接至斜坡电压。

12.如权利要求11所述的图像感测系统，其中所述放大/数字化电路还包含有计数器；以及于所述模拟数字转换模式下，所述斜坡电压持续增加，且当所述斜坡电压恰达到所述放大后信号的电压值时，所述放大器输出逻辑信号；其中所述计数器依据所述逻辑信号来输出所述数字信号。

13.如权利要求9所述的图像感测系统，其中所述放大/数字化电路还包含有第三开关，其耦接于所述放大器的所述输入端以及所述放大器的所述输出端之间，所述第三开关于所述放大模式以及所述模拟数字转换模式下不导通，而于重置模式下导通以重置所述放大器。

14.如权利要求9所述的图像感测系统，其中所述放大器为单端输入放大器。