CN102196200B

CN102196200B - 图像传感器的信号处理电路及信号处理方法

Info

Publication number: CN102196200B
Application number: CN 201110163075
Authority: CN
Inventors: 赵立新; 乔劲轩
Original assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Current assignee: Galaxycore Shanghai Ltd Corp
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: CN102196200A

Abstract

本发明提供了一种图像传感器的信号处理方法与信号处理电路。该信号处理方法包括下述步骤：a.提供图像电容与复位电容，所述图像电容配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取图像信号，所述复位电容配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取复位信号；b.将所述复位电容耦接到所述像素阵列以获取所述复位信号；c.将所述图像电容耦接到所述像素阵列以获取所述图像信号；d.输出由所述复位电容与所述图像电容所获取的信号；其中，在所述步骤b与所述步骤c中，所述参考电压端被耦接到第一参考电位，在所述步骤d中，所述参考电压端被耦接到低于所述第一参考电位的第二参考电位。

Description

图像传感器的信号处理电路及信号处理方法

技术领域

本发明涉及图像传感器技术领域，更具体地，本发明涉及一种图像传感器的信号处理电路及信号处理方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，图像传感器已广泛应用于各种需要进行数字成像的领域，例如数码照相机、数码摄像机等电子产品中。根据光电转换方式的不同，图像传感器通常可以分为两类：电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。其中，CMOS图像传感器具有体积小、功耗低、生产成本低等优点，因此，CMOS图像传感器易于集成在例如手机、笔记本电脑、平板电脑等便携电子设备中，作为提供数字成像功能的摄像模组使用。

CMOS图像传感器通常采用3T或4T的像素结构。图1即示出了一种传统图像传感器的4T像素结构，包括光电二极管101、转移晶体管102、复位晶体管103、源跟随晶体管104以及行选择晶体管105。其中，光电二极管101用于感应光强变化而形成相应的电荷信号。转移晶体管102用于接收转移控制信号TX，在转移控制信号TX的控制下，转移晶体管102相应导通或关断，从而使得光电二极管101所感应的电荷信号被读出到该转移晶体管102的漏极，并由该漏极存储电荷信号。复位晶体管103用于接收复位控制信号RST，在该复位控制信号RST的控制下，复位晶体管103相应导通或关断，从而向源跟随晶体管104的栅极提供复位信号。源跟随晶体管104用于将转移晶体管102获得的电荷信号转换为电压信号。行选择晶体管105用于接收列选择信号RS，并在该行选择信号RS的控制下，行选择晶体管105相应开启或闭合，从而使得源跟随晶体管104的漏极被选择地耦接到位线BL，进而将源跟随晶体管104转换的信号由位线BL输出。

传统图像传感器通常采用双相关采样(Correlated DoubleSampling)的信号处理电路，其在处理时需要获取同一像素的复位信号与图像信号。为了提高像素的灵敏度，往往需要将转移晶体管102的漏极复位到较高的电位。然而，这会使得在环境光强较弱时位线BL输出较高的图像信号电压，从而导致图像传感器信号处理电路中对应于图像信号输出的图像输出开关开启或闭合的速度降低，进而使得该信号处理电路的处理速度降低，影响图像处理的帧率。此外，由于像素提供的复位信号电压也相对较高，其所对应的复位输出开关开启或闭合的速度也较低。因此，在将复位信号与图像信号输出给后续放大单元时，这种处理电路很难保证复位输出开关与图像输出开关能够同步开启或闭合，这会引入较大的固定模式噪声(FixedPattern Noise)，从而降低图像传感器的成像质量。

发明内容

可见，需要提供一种图像传感器的图像处理电路及图像处理方法，用以提高电路处理速度并尽可能地减少图像传感器的固定模式噪声。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种图像传感器的信号处理方法，包括下述步骤：a.提供图像电容与复位电容，所述图像电容配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取图像信号，所述复位电容配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取复位信号；b.将所述复位电容耦接到所述像素阵列以获取所述复位信号；c.将所述图像电容耦接到所述像素阵列以获取所述图像信号；d.输出由所述复位电容与所述图像电容所获取的信号；其中，在所述步骤b与所述步骤c中，所述参考电压端被耦接到第一参考电位，在所述步骤d中，所述参考电压端被耦接到低于所述第一参考电位的第二参考电位。

根据本发明的另一方面，还提供了一种图像传感器的信号处理电路，包括：图像电容，配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取图像信号；复位电容，配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取复位信号；切换单元，配置为响应于控制信号而使得所述图像电容耦接于像素阵列以获取图像信号，使得所述复位电容耦接于像素阵列以获取复位信号，以及使得所述图像电容与所述复位电容输出所获取的信号；参考电压单元，配置为在所述图像电容与所述复位电容耦接于像素阵列时使得所述参考电压端耦接于第一参考电位，以及在所述图像电容与所述复位电容输出所获取信号时使得所述参考电压端耦接于第二参考电位，其中，所述第二参考电位低于所述第一参考电位。

与现有技术相比，本发明的图像传感器的信号处理方法在图像信号的采集与输出阶段在图像电容上加载不同的参考电位，因此，在输出图像信号时，图像信号与复位信号能够被调制到较低的电位水平，这就避免了图像输出开关及复位输出开关开启速度较慢的问题。此外，较低电压水平的图像信号及复位信号使得图像输出开关与复位输出开关的速度基本一致，从而有效抑制了固定模式噪声。

本发明的以上特性及其他特性将在下文中的实施例部分进行明确地阐述。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，能够更容易地理解本发明的特征、目的和优点。其中，相同或相似的附图标记代表相同或相似的装置。

图1示出了一种图像传感器的4T像素结构；

图2示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的信号处理电路；

图3示出了用于图2信号处理电路的控制信号的时序图；

图4示出了根据本发明另一实施例的图像传感器及其信号处理电路；

图5示出了基于图4的信号处理电路对图像传感器进行信号处理的方法。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。

图2示出了根据本发明一个实施例的图像传感器的信号处理电路。在图2中还示出了图像传感器像素阵列中的部分像素221。在本实施例中，这些像素221位于图像传感器像素阵列的同一列中，其输出端共同耦接到同一位线BL。

如图2所示，该信号处理电路包括图像电容201、复位电容202、切换单元203以及参考电压单元204，其中，

图像电容201配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端205之间以获取图像信号；

复位电容202配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端205之间以获取复位信号；

切换单元203配置为响应于控制信号而使得该图像电容201耦接于像素阵列以获取图像信号，使得该复位电容202耦接于像素阵列以获取复位信号，以及使得该图像电容201与该复位电容202输出所获取的信号；

参考电压单元204，配置为在该图像电容201与该复位电容202耦接于像素阵列时使得参考电压端205耦接于第一参考电位，以及在图像电容201与复位电容202输出所获取信号时使得该参考电压端205耦接于第二参考电位，其中，该第二参考电位低于该第一参考电位。

具体地，图像电容201包括第一极板201a与第二极板201b，复位电容202包括第三极板202a与第四极板202b，其中该第二极板201b与第四极板202b用于耦接参考电压端205，以获取参考电位；而该第一极板201a与第三极板202a则用于耦接至像素阵列，以分别获取图像信号及复位信号。在本文中，术语“获取”是指在电容的极板上加载某一信号以对该电容进行充电，所述充电应使得该极板具有与该信号相同的电位。

切换单元203可以包括一个以上的开关，其中每一个开关具有用于接收控制信号的控制端。基于所接收控制信号的不同，每个开关分别地被开启或闭合，从而使得图像或复位电容被耦接到不同的电路节点上。在本实施例中，信号处理电路还包括放大单元210，其包括第一输入端210a与第二输入端210b，配置为放大该第一输入端210a与第二输入端210b之间的电压差。相应地，该切换单元203包括耦接于第一极板201a与位线BL之间的第一开关206，耦接于第三极板202a与位线BL之间的第二开关207，耦接于第一极板201a与第一输入端210a之间的第三开关208，以及耦接于第三极板202a与第二输入端210b之间的第四开关209。可选地，前述的各个开关206-209可以采用晶体管开关，例如NMOS晶体管或PMOS晶体管开关。

在实际应用中，各个开关所接收的控制信号可以由独立的控制模块，例如微控制单元(MCU)提供。而参考电压单元204输出参考电位的变化也可以由该控制模块提供的控制信号所控制。

图3示出了用于图2信号处理电路的控制信号的时序图。接下来，结合图2及图3对本发明一个实施例的信号处理电路的工作进行进一步的说明。

图3中的各个控制信号被分别地加载在对应的可控开关或晶体管的控制端。具体地，行选择信号RS被加载在像素阵列中各个像素221的行选择晶体管245的栅极；复位控制信号RST被加载在各个像素221的复位晶体管243的栅极；转移控制信号TX被加载在各个像素221的转移晶体管242的栅极；第一控制信号SHS被加载在信号处理电路中第一开关206的控制端；第二控制信号SHR被加载在信号处理电路中第二开关207的控制端；第三控制信号SEL被加载在信号处理电路中第三开关208与第四开关209的控制端。此外，由参考电压单元204生成的参考电压信号V_cap被加载在参考电压端205。

首先，在第一时段T1，由复位电容202获取像素221的复位信号V_ref。

具体地，将行选择信号RS设置为有效，这使得像素221的行选择晶体管245导通，从而将像素221连接至位线BL。同时，在参考电压端205加载第一参考电位V₁，使得复位电容202的第四极板202b被充电至第一参考电位V₁，该第一参考电位V₁例如为0.5至1.2V。本领域技术人员可以理解，在实际应用中，该第一参考电位V₁可以根据图像传感器以及信号处理电路的驱动电压的不同而有所不同。接着，将复位控制信号RST设置为有效，使得复位晶体管243导通。这使得像素221生成复位信号V_ref并通过导通的行选择晶体管245将该复位信号V_ref提供至位线BL。之后，将第二控制信号SHR设置为有效，使得第二开关207导通，从而将复位电容202连接至位线BL，复位电容202得以获取复位信号V_ref，即复位电容202的第三极板202a被充电至复位信号V_ref的电压。

在此情况下，复位电容202的两个极板分别获得了复位信号V_ref以及第一参考电位V₁，因而，复位电容202的两极板之间的电压差即为V_ref-V₁。

接着，在第二时段T2，由图像电容201获取像素221的图像信号V_sig。

具体地，仍将行选择信号RS保持有效，像素221仍连接至位线BL。同时，在参考电压端205加载第一参考电位V₁，使得图像电容201的第二极板201b被充电至第一参考电位V₁，该第一参考电位V₁例如为0.5至1.2V。接着，将转移控制信号TX设置为有效，使得转移晶体管242导通。这使得像素221生成图像信号V_sig并通过导通的行选择晶体管245将该图像信号V_sig提供至位线BL。之后，将第一控制信号SHS设置为有效，使得第一开关206导通，从而将图像电容201连接至位线BL，图像电容201得以获取图像信号V_sig，即图像电容201的第一极板201a被充电至图像信号V_sig的电压。

在此情况下，图像电容201的两个极板分别获得了图像信号V_sig以及第一参考电位V₁，因而，图像电容201的两极板之间的电压差即为V_sig-V₁。

接下来，在第三时段T3，将图像电容201与复位电容202所获取的图像信号与复位信号输出。

具体地，将行选择信号RS设置为无效，从而使得像素221与位线BL之间的连接断开。同时，在参考电压端205加载低于第一参考电位V₁的第二参考电位V₂，使得复位电容202的第四极板202b以及图像电容201的第二极板201b被充电至第二参考电位V₂，该第二参考电位V₂例如为0V。在实际应用中，第二参考电位V₂可以低于第一参考电位不超过1.2V，以避免将图像信号V_sig与复位信号V_ref调制到过低的电压值而使得第三开关208或第四开关209无法正常工作。

由于电容的两个极板之间的电压差不会突变，第二极板201b与第四极板202b的参考电位变化使得第一极板201a与第三极板202a也相应降低，即第一极板201a的电压被调制为V_sig-V₁+V₂，而第三极板202a的电压被调制为V_ref-V₁+V₂。由于第二参考电压V₂低于第一参考电压V₁，因此，在第一时段T1所获取的复位信号V_ref以及在第二时段T2所获取的图像信号V_sig均减少了(V₁-V₂)的电压值，而复位信号V_ref与图像信号V_sig的电压差仍保持不变。

接着，将第三控制信号SEL设置为有效，使得第三开关208以及第四开关209同时导通，图像电容201与复位电容202向放大单元210的两个输入端提供信号。

在本实施例中，第三开关208以及第四开关209均采用NMOS晶体管开关。对于NMOS晶体管开关而言，在导通时，其栅极(G)被固定于某一参考电位，该参考电位的电压通常应高于其漏极(D)电压；而源极(S)电压应比漏极电压低一个阈值电压(V_t)。同时，对于NMOS晶体管开关，其导通电阻R_on正比于(V_gs-V_t)^-1。可以看出，在导通时，NMOS晶体管开关的源极电压随漏极电压的降低而相应降低，并导致其栅极与源极的电压差(V_gs)增加，从而使得导通电阻R_on降低。导通电阻R_on的降低使得图像电容201输出信号的速度提高，即对放大单元210的第一输入端210a耦接的电容充电的速度提高。同时，由于复位信号V_ref也被相等地调制，采用差动放大结构的放大单元210在对复位信号与图像信号的电压差进行放大时，这两个信号相互抵消所调制的电压部分，即(V₁-V₂)，因而不会影响影响信号的正常读出。

对于PMOS晶体管开关，在导通时，其栅极通常被固定于低于漏极电压的某一参考电压。可以理解，对于第三开关208以及第四开关209采用PMOS晶体管开关的实施例，需要提高栅极与源极之间的电压差，在这种情况下，可以对图像信号与复位信号增加一定的电压值，使得复位电容202与图像电容201输出信号电压时具备较高的电压值，从而增第三开关208与第四开关209的开启或闭合速度。

另一方面，由于对应于图像信号输出的第三开关208的开启或闭合速度提高，这就有效提高了第三开关208与第四开关209的开启速度一致性，从而使得复位电容202与图像电容201在获取信号时所采集的固定模式噪声保持基本一致。在放大单元210放大信号时，该固定模式噪声会被差动地抵消，从而使得图像传感器的信号噪声得以有效抑制。

在环境光强较强时，图像传感器像素阵列所输出的图像信号具有相对较低的电压，在这种情况下，第三开关208具有较高的开启或闭合速度，从而不会影响图像处理的速度。因此，在环境光强较高时，可以不对图像信号进行调制。相应地，在一个优选的实施例中，该信号处理电路还包括环境光强比较单元，用于获取环境光强值并将该环境光强值与预定参考光强值进行比较：在环境光强值低于预定参考光强值时，向参考电压端提供对图像信号进行调制的指示。

根据本发明的又一方面，还提供了一种图像传感器，包括前述实施例中的图像处理电路以及像素阵列。

图4示出了根据本发明另一实施例的图像传感器及其信号处理电路。如图4所示，该信号处理电路包括图像电容401、复位电容402以及切换单元403，其中，该图像电容401配置为可控地耦接于像素阵列400与参考电压端405之间以获取图像信号；该复位电容402配置为可控地耦接于像素阵列400与参考电压端405之间以获取复位信号；该切换单元403配置为响应于控制信号而使得该图像电容401耦接于像素阵列400以获取图像信号，使得该复位电容402耦接于像素阵列400以获取复位信号，以及使得该图像电容401与该复位电容402输出所获取的信号。

图5示出了基于图4的信号处理电路对图像传感器进行信号处理的方法，包括下述步骤：

执行步骤S502，提供图像电容401与复位电容402，所述图像电容401配置为可控地耦接于像素阵列400与参考电压端405之间以获取图像信号V_sig，所述复位电容402配置为可控地耦接于像素阵列400与参考电压端405之间以获取复位信号V_ref。

具体地，图像电容401包括第一极板401a与第二极板401b，复位电容402包括第三极板402a与第四极板402b。其中，第一极板401a与第三极板402a被耦接到像素阵列400以分别获取图像信号V_sig与复位信号V_ref，而第二极板401b与第四极板402b则被耦接到参考电压端405以获取参考电位。

接着，执行步骤S504，将所述复位电容402耦接到所述像素阵列400以获取所述复位信号V_ref。复位电容402的第三极板402a被充电至复位信号V_ref的电压。这期间，参考电压端405被耦接到第一参考电位V₁，从而使得复位电容402的第四极板402b被充电至第一参考电位V₁。在一个实施例中，所述第一参考电位V₁低于所述图像信号V_sig的电位。

之后，执行步骤S506，将所述图像电容401耦接到所述像素阵列400以获取所述图像信号V_sig。图像电容401的第一极板401a被充电至图像信号V_sig的电压。这期间，参考电压端405被耦接到第一参考电位V₁，从而使得图像电容401的第二极板401b被充电至第一参考电位V₁。

然后，执行步骤S508，输出由所述复位电容402与所述图像电容401所获取的信号。在所述步骤S508中，参考电压端405被耦接到低于所述第一参考电位V₁的第二参考电位V₂。在本发明的一个实施例中，所述第二参考电位V₂低于所述第一参考电位V₁不超过1.2V。

由于电容的两个极板之间的电压差不会突变，第二极板401b与第四极板402b的参考电位变化使得第一极板401a与第三极板402a的电压也相应降低，即第一极板401a的电压被调制为V_sig-V₁+V₂，而第三极板402a的电压被调制为V_ref-V₁+V₂。由于第二参考电压V₂低于第一参考电压V₁，因此，所述输出的复位信号V_ref以及图像信号V_sig均减少了(V₁-V₂)的电压值，而复位信号V_ref与图像信号V_sig的电压差仍保持不变。

在一个实施例中，所述步骤S508还包括：通过第三开关输出所述图像信号并通过第四开关输出所述复位信号。进一步地，在所述步骤S508之后，还包括：对所述复位信号与所述图像信号的电压差进行放大。在该实施例中，第三开关与第四开关包括NMOS晶体管开关，其包含于切换单元403内，其中第三开关耦接于第一极板401a与后续放大单元的一个输入端之间，而第四开关耦接于第三极板403a与放大单元的另一个输入端之间。

对于NMOS晶体管开关，在导通时，其栅极(G)被固定于某一参考电位，该参考电位的电压通常应高于其漏极(D)电压；而源极(S)电压应比漏极电压低一个阈值电压(V_t)。同时，对于NMOS晶体管开关，其导通电阻R_on正比于(V_gs-V_t)^-1。可以看出，在导通时，NMOS晶体管开关的源极电压随漏极电压的降低而相应降低，并导致其栅极与源极的电压差(V_gs)增加，从而使得导通电阻R_on降低。导通电阻R_on的降低使得图像电容401输出信号的速度提高。同时，由于复位信号V_ref也被相等地调制，采用差动放大结构的放大单元410在对复位信号与图像信号的电压差进行放大时，这两个信号相互抵消所调制的电压部分，即(V₁-V₂)，因而不会影响影响信号的正常读出。

另一方面，由于对应于图像信号输出的第三开关的开启或闭合速度提高，这就有效提高了第三开关与第四开关的开启速度一致性，从而使得复位电容402与图像电容401在获取信号时所采集的固定模式噪声保持基本一致。在放大单元410放大信号时，该固定模式噪声会被差动地抵消，从而使得图像传感器的信号噪声得以有效抑制。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤S504之前，还包括：获取环境光强值并比较所述环境光强值与预定参考光强值，在所述环境光强值低于所述预定参考光强值时执行所述步骤S504至S508。

尽管在附图和前述的描述中详细阐明和描述了本发明，应认为该阐明和描述是说明性的和示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所上述实施方式。

那些本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。在发明的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims

1.一种图像传感器的信号处理方法，包括下述步骤：

a.提供图像电容与复位电容，所述图像电容配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取图像信号，所述复位电容配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取复位信号；

b.将所述复位电容耦接到所述像素阵列以获取所述复位信号；

c.将所述图像电容耦接到所述像素阵列以获取所述图像信号；

d.输出由所述复位电容与所述图像电容所获取的信号；

其中，在所述步骤b与所述步骤c中，所述参考电压端被耦接到第一参考电位，在所述步骤d中，所述参考电压端被耦接到低于所述第一参考电位的第二参考电位。

2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述第二参考电位低于所述第一参考电位不超过1.2V。

3.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤d还包括：通过第三开关输出所述图像信号并通过第四开关输出所述复位信号。

4.根据权利要求3所述的信号处理方法，其特征在于，所述第三开关与第四开关是NMOS晶体管开关。

5.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，在所述步骤d之后，还包括：

对所述复位信号与所述图像信号的电压差进行放大。

6.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，在所述步骤b之前，还包括：

e.获取环境光强值并比较所述环境光强值与预定参考光强值，在所述环境光强值低于所述预定参考光强值时执行所述步骤b至d。

7.一种图像传感器的信号处理电路，包括：

图像电容，配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取图像信号；

复位电容，配置为可控地耦接于像素阵列与参考电压端之间以获取复位信号；

切换单元，配置为响应于控制信号而使得所述图像电容耦接于像素阵列以获取图像信号，使得所述复位电容耦接于像素阵列以获取复位信号，以及使得所述图像电容与所述复位电容输出所获取的信号；

参考电压单元，配置为在所述图像电容与所述复位电容耦接于像素阵列时使得所述参考电压端耦接于第一参考电位，以及在所述图像电容与所述复位电容输出所获取信号时使得所述参考电压端耦接于第二参考电位，其中，所述第二参考电位低于所述第一参考电位。

8.根据权利要求7所述的信号处理电路，其特征在于，所述第二参考电位低于所述第一参考电位不超过1.2V。

9.根据权利要求7所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号处理电路还包括放大单元，包括第一输入端与第二输入端，配置为放大所述第一输入端与所述第二输入端之间的电压差；

所述切换单元进一步包括耦接于所述第一输入端与所述图像电容之间的第三开关，以及耦接于所述第二输入端与所述复位电容之间的第四开关。

10.根据权利要求9所述的信号处理电路，其特征在于，所述第三开关与第四开关是NMOS晶体管开关。

11.一种图像传感器，包括像素阵列，以及根据权利要求7至10中任一项所述的信号处理电路。