CN102238347A - 信号处理电路及其相关信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种信号处理电路及其相关信号处理方法，所述信号处理电路包含有放大电路、控制电路，以及采样保持电路。所述放大电路接收模拟输入信号并放大所述模拟输入信号以输出第一模拟信号。所述控制电路依据所述模拟输入信号以据以输出控制信号。所述采样保持电路耦接于所述放大电路以及所述控制电路，以依据所述控制信号来选择地调整所述采样保持电路的增益系数，进而依据所述第一模拟信号以及所述增益系数以输出第二模拟信号。
Description
技术领域
本发明涉及互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器系统，尤其涉及CMOS图像传感器(CMOS ImageSensor)系统中的信号处理电路，以提供优良的处理速度并可有效地提升输出信号的动态范围(dynamic range)。
背景技术
在传统的CIS图像感测系统的中，输出信号的动态范围是极度受局限的。而现今CIS图像感测系统中，为了有效增强输出信号的动态范围以使其达到高动态范围(High Dynamic Range，HDR)效果而提出的解决方案的其中一个，便是对较暗的信号提供较长的曝光时间(exposure time)，而对于较亮的信号，则提供相对而言较短的曝光时间；另一方面，另外一个现存的解决方案则是将CIS图像感测系统内模拟数字转换器(analog todigital converter，ADC)的分辨率加以提高。然而，前述的解决方案以及其余的传统方法皆不可避免地使其所需的生产成本随之剧增。
除此之外，现今用以增加CIS图像感测系统的动态范围的方法，不仅费时，更增加所需的电路复杂度。因此，亟需提供新信号处理方法与信号处理电路，在兼顾生产成本的同时有效提升输出信号的动态范围，进而增进CIS图像感测系统的整体效能。
发明内容
因此本发明的目的之一，即在于提供一种信号处理电路，此信号处理电路可有效提升信号的动态范围并进而提升使用本发明的信号处理电路的CIS图像感测系统的整体效能。
根据本发明的一实施例，其揭露一种信号处理电路。该信号处理电路包含有：放大电路、控制电路，以及采样保持电路。该放大电路接收模拟输入信号，并放大该模拟输入信号以输出第一模拟信号。该控制电路依据该模拟输入信号来输出控制信号。该采样保持电路耦接至该放大电路以及该控制电路，并且依据该控制信号来选择性地调整该采样保持电路的增益系数，进而依据该第一模拟信号与该增益系数来输出第二模拟信号。
根据本发明的另一实施例，其揭露一种信号处理方法。本发明的信号处理方法包含有以下步骤：接收模拟输入信号并放大该模拟输入信号以输出第一模拟信号；依据该模拟输入信号而输出控制信号；依据该控制信号以选择性地调整采样保持电路的增益系数；以及利用该采样保持电路以依据该第一模拟信号与该增益系数来输出第二模拟信号。
附图说明
图1所示为根据本发明第一实施例的信号处理电路的框图示意图；
图2所示为根据本发明第二实施例的信号处理电路的框图示意图；
图3所示为根据本发明第三实施例的信号处理电路的框图示意图；
图4所示为根据本发明第四实施例的信号处理电路的框图示意图；
图5所示为根据本发明的信号处理电路的一实施例的步骤流程图；
图6所示为采用本发明的一实施例的信号处理电路的可变增益细述的调整运作的运作特征示意图。
具体实施方式
在本专利说明书及后续的权利要求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」。以外，「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。
参阅图1，图1所示为根据本发明的第一实施例信号处理电路的框图示意图。在本实施例中，信号处理电路100包含(但不限定有)放大电路110、采样保持(sample-and-hold)电路120、处理电路130，以及控制电140。信号处理电路100从互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS image sensor)接收感测(sensed)信号，并使用一种可适性控制机制(如：控制电路140)来增强其输出信号的动态范围。若感测信号(如：模拟输入信号San-in)本身具有较差的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，(SNR)，则信号处理电路100可依据(由控制电路140所产生的)控制信号Scontrol来据以增加采样保持电路120的增益系数的数值。相反地，若感测信号(如：模拟输入信号San-in)的振幅过大，则可依据控制电路140的控制来适当地减小采样保持电路120的增益系数的数值，以有效避免信号在后续的信号处理程序(如；模拟数字转换程序)中产生过饱和(saturation)的情况。换言之，本发明的信号处理电路及信号处理方法，可提供一种新的解决方案以提供现今CIS图像感测系统其所欲达到的高动态范围(HDR)效能。
详细来说，当模拟输入信号San-in输入至信号处理电路100，放大电路110会先放大模拟输入信号San-in，以据以产生第一模拟信号Sfirst-an；请注意到，由于放大电路110以线性(linear)方式来处理模拟输入信号San-in并产生第一模拟信号Sfirst-an，这使得第一模拟信号Sfirst-an与模拟输入信号San-in两者拥有相同的信噪比。另外，在本发明的一实施例中，放大电路110可采用可编程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)来加以实施；然而，前述仅为说明之用而不为本发明的限制条件之一，任何可用以将模拟输入信号San-in放大的电路皆可用作信号处理电路100内的放大电路110。
在本发明中，采样保持电路120的增益系数是可动态调整的，藉此使得应用本发明信号处理电路的CIS图像感测系统其输出信号得以拥有更佳的动态范围。举例来说，采样保持电路120接收第一模拟信号Sfirst-an并且依据其可变动的增益系数来放大第一模拟信号Sfirst-an；而前述的可变动的增益系数则是依据控制信号Scontrol而加以决定的。控制电路140则依据第一模拟信号Sfirst-an(其由放大电路110所产生)来产生控制信号Scontrol，以依据控制信号Scontrol而调整采样保持电路120的增益系数。在图1所示的实施例中，控制电路140接收第一模拟信号Sfirst-an并将其与某(些)临界值相比较并且依据此比较结果产生控制信号Scontrol。在这里，控制电路140可将第一模拟信号Sfirst-an与预定临界值相比较，以据以决定控制信号Scontrol；当比较结果显示出第一模拟信号Sfirst-an的信号强度(比方说：第一模拟信号Sfirst-an的一电压准位)低于此预定临界值，表示了此时第一模拟信号Sfirst-an的信号强度微弱；则控制电路140将随之调增增益系数的数值。相反，当比较结果显示第一模拟信号Sfirst-an的信号强度大于前述的预定临界值，则表示第一模拟信号Sfirst-an的信号强度可能过强，则控制电路140会经由控制信号Scontrol来减小采样保持电路120的增益系数。而采样保持电路120在控制电路140的控制下被设定适当大小的增益系数之后，采样保持电路120依据被可适性调整(adaptively-adjusted)后的增益系数来产生第二模拟信号Second-an。然而请注意到，前述运作中，被用以与第一模拟信号Sfirst-an比较的临界值的数目并不为本发明的限制条件之一；比方说，随着不同的设计需求，信号处理电路100亦可使用一组临界值作为参考之用，以据以产生控制信号Scontrol。前述设计变化遵守本发明的发明精神，并隶属于本发明的保护范畴之中。
除此之外，本发明的信号处理电路另可针对不同的信号(处理)路径来提供相对应的不同的增益系数，以藉由经由不同信号(处理)路径而产生(或放大)的模拟信号并据以产生数字信号Sdigital；进而有效提升输出信号的动态范围。
参阅图2，图2所示为根据本发明第二实施例的信号处理电路的框图示意图。在本实施例中，信号处理电路200包含(但不限定于)放大电路210、采样保持电路220、处理电路230，以及控制电路240；由于信号处理电路200大部分的电路结构以及运作可于参考前述关于信号处理电路100的说明后而轻易了解，在此便不再重复进行赘述。信号处理电路200与信号处理电路100的主要差异在于：在图2所示的实施例中，第一模拟信号Sfirst-an经由采样保持电路220进行两次处理程序。更详细来说，在本实施例中，不论第一模拟信号Sfirst-an的信号强度为何，采样保持电路220皆会使用固定增益系数来对第一模拟信号Sfirst-an进行采样以据以产生第三模拟信号Sthird-an。之后，处理电路130可依据第二模拟信号Ssecond-an和第三模拟信号Sthird-an两模拟信号来产生数字信号Sdigital。此外，采样保持电路120在产生第二模拟信号Ssecond-an时，采样保持电路120此时增益系数的大小经由控制电路240的控制以依据第一模拟信号Sfirst-an的信号强度来加以动态调整。
而在产生第三模拟信号Sthird-an时，采样保持电路220不管第一模拟信号Sfirst-an的信号强度如何，都以同样一个固定的增益系数来对第一模拟信号Sfirst-an进行采样以产生第三模拟信号Sthird-an。举例来说，处理电路230亦可包含有合并单元232以及模拟数字转换单元234。在一实作范例中，合并单元232可将第二模拟信号Ssecond-an与第三模拟信号Sthird-an合并，而模拟数字转换单元234依据合并单元232的信号合并结果来据以输出数字信号Sdigital。在另一实例中，模拟数字转换单元234亦可分别将第二模拟信号Ssecond-an与第三模拟信号Sthird-an各自转换成数字信号，而后合并单元232再依据经由模拟数字转换单元234进行合并处理后所产生的结果，以据以产生数字信号Sdigital。然而请注意，前述对于处理电路230电路架构仅为说明之用，任何可接收并处理经由其前端的采样保持电路220所产生的输出信号的处理电路230皆可用作本发明中的处理电路；前述的相关设计变化皆遵守本发明的精神，并隶属于本发明的保护范畴之中。
在前述的实施例中，采样保持电路(120/220)具有可变的增益系数，且采样保持电路的可变增益系数是接受控制电路(140/240)的控制，依据控制电路监控已被采样保持电路处理的模拟信号的强度以据以调变。在设计变化例中，采样保持电路(120/220)具有至少一第一电容以及一第二电容以用以决定增益系数的大小；且第一电容与第二电容中至少有一个电容是采用可变电容来加以实施的。如此一来，则可依据第一电容与第二电容的电容值的比值来决定增益系数的大小；前述的相关设计变化亦隶属于本发明的保护范畴之中。
参阅图3，图3所示为根据本发明第三实施例的信号处理电路的框图示意图。而图3中信号处理电路300的电路设置与运作大致上与图1的信号处理电路100相同；主要的不同之处在于本实施例中的控制电路340的运作。在本实施例中，控制电路340依据模拟输入信号San-in来产生控制信号S-control以决定采样保持电路330其可变增益系数的增益值的大小，而非如本发明的第一实施例中依据第一模拟信号Sfirst-an来产生控制信号S-control；也就是说，这里控制电路340比较模拟输入信号San-in与预定临界值以据以决定控制信号Scontrol。当比较结果指示出模拟输入信号San-in的强度(如：其电压位准)小于预定临界值，则可表示此时模拟输入信号San-in的强度较弱，则控制电路340将据以调增增益系数的数值。相反，若比较结果显示模拟输入信号San-in的信号强度大于预定临界值；控制电路340会产生控制信号Scontrol以据以将采样保持电路320的增益系数减小。由于除了控制电路340的运作之外，信号处理电路300的其余元件的运作细节与第一实施例中读信号处理电路100相同，为了简便起见，在此便不再重复赘述。
参阅图4；图4所示为根据本发明第4实施例的信号处理电路的框图示意图。而图4中信号处理电路400的电路设置与运作大致上与图2的信号处理电路200相同；主要的不同之处在于本实施例中的控制电路440的运作。在这里，控制电路440依据模拟输入信号San-in来产生控制信号S-control以决定采样保持电路330其可变增益系数的增益值的大小，而非如本发明的第二实施例中依据第一模拟信号Sfirst-an来产生控制信号S-control。因此，控制电路440将模拟输入信号San-in与预定临界值相比较以据以决定控制信号Scontrol。相似地，当比较结果显示出模拟输入信号San-in的信号(如：其电压位准)强度小于预定临界值，则表示此时模拟输入信号San-in的强度微弱；则控制电路440将随之把采样保持电路420的增益系数调增以用以产生第二增益系数并据以产生第二模拟信号Ssecond-an。相反，当比较结果显示了模拟输入信号San-in的强度大于预定临界值；则控制电路440将依据控制信号Scontrol来随之将采样保持电路420使用于产生第二模拟信号Ssecond-an时的增益系数的数值减小。
如同图2中采样保持电路220与处理电路230的运作；在本第4实施例中，采样保持电路420亦对第一模拟信号Sfirst-an进行两次信号处理程序。详细来说，采样保持电路420不论模拟输入信号San-in的信号强度如何，都以固定的增益系数来对第一模拟信号Sfirst-an进行采样，并据以产生第三模拟信号Sthird-an；且处理电路430还依据第二模拟信号Ssecond-an和第三模拟信号Sthird-an两个模拟信号来产生数字信号Sdigital。也就是说，当采样保持电路420在进行产生第二模拟信号Ssecond-an的信号处理程序时，此时采样保持电路420所采用的增益系数的大小可依据控制电路440的控制来随着第一模拟信号Sfirst-an(或模拟输入信号San-in)的信号强度而动态调整；然而，当采样保持电路420在进行用以产生第三模拟信号Sthird-an的信号处理程序时，无论第一模拟信号Sfirst-an(或模拟输入信号San-in)的信号强度为何，采样保持电路420都将使用固定大小的增益系数来对第一模拟信号Sfirst-an进行采样。
另外，处理电路430还包含有合并单元432以及模拟数字转换单元434(如图4所示)。在一实施例中，合并单元432会将第二模拟信号Ssecond-an与第三模拟信号Sthird-an进行合并处理，而后模拟数字转换单元434再依照合并单元432的处理结果以据以输出数字信号Sdigital。在另外一个实作例中，模拟数字转换单元434会先分别将第二模拟信号Ssecond-an与第三模拟信号Sthird-an分别转换成数字信号，而后再使用合并单元432将由模拟数字单元434产生的数字信号进行合并处理以据以输出数字信号Sdigital。由于采样保持电路420与处理电路430的其余运作与电路细节与前述第2实施例中的电路相同，为了简便起见在此便不再重复赘述。前述的相关设计变化皆遵守本发明的精神，并隶属于本发明的保护范畴之中。
请注意到，前述的实施例仅为说明之用而不为本发明的限制条件之一，任何可藉由直接或间接监测其模拟输入信号的信号强度，以动态调整其内采样保持电路的增益系数的信号处理电路皆遵守本发明的精神，并隶属于本发明的保护范畴之中。
同时参照图4以及图4来看图5，图5所示为根据本发明的信号处理电路的一实施例的步骤流程图。请注意到，倘若实质上可达到相同的结果，并不一定需要遵照图5所示的流程中的步骤顺序来依序进行。信号处理电路的运作流程包含有以下步骤：
步骤502：放大电路(如：210/410)接收模拟输入信号San-in并执行放大运作以依据模拟输入信号San-in来据以输出第一模拟信号Sfirst-an。
步骤504：采样保持电路(如：220/420)接收第一模拟信号Sfirst-an并使用固定增益系数来执行第一采样运作并据以产生第三模拟信号Sthird-an；在采样保持电路(如：220/420)执行第一采样运作时，不论第二实施例中第一模拟信号Sfirst-an的强度为何(或在第四实施例中模拟输入信号San-in的强度为何)，采样保持电路皆使用一个固定大小的增益系数来进行采样。
步骤506：控制电路(如：240/440)接收模拟信号(不论其为第一模拟信号Sfirst-an或是模拟输入信号San-in)，并且参考此模拟信号的信号强度(例如：模拟输入信号San-in的电压位准或是第一模拟信号Sfirst-an的电压位准)以据以产生控制信号Scontrol。
步骤508；采样保持电路(如：240/440)接收第一模拟信号Sfirst-an并在控制电路(如：240/440)的控制下使用可变动的增益系数来执行第二采样运作并据以产生第二模拟信号Ssecond-an。当采样保持电路(如：220/420)在执行第二采样运作时，采样保持电路的增益系数将依据控制信号Scontrol的控制而随之动态调整。举例来说，当控制电路(如：240/440)判定模拟信号(不论其为第一模拟信号Sfirst-an或是模拟输入信号San-in)的信号强度过于微弱，则代表此时模拟信号的信噪比不佳；因此控制信号Scontrol会随之将采样保持电路(如：220/420)的可变增益系数的数值调增，以有效提升第二模拟信号Ssecond-an的信号强度。另外，当控制电路(如：240/440)判定模拟信号(不论其为第一模拟信号Sfirst-an或是模拟输入信号San-in)的信号强度过强，则控制信号Scontrol会随之将采样保持电路(如：220/420)的可变增益系数的数值减小，以有效降低第二模拟信号Ssecond-an的信号强度。
步骤510：处理电路(如：230/430)接收第二模拟信号Ssecond-an以及第三模拟信号Sthird-an并进而依据第二模拟信号Ssecond-an和第三模拟信号Sthird-an产生数字信号Sdigital；其中第二模拟信号Ssecond-an经由将第一模拟信号Sfirst-an以可变增益系数进行放大运作而产生，而第三模拟信号Sthird-an则是将第一模拟信号Sfirst-an以一个固定的增益系数进行另一放大运作而产生。
同时参照图1～图5来看图6，图6所示为采用本发明的一实施例的信号处理电路的可变增益细述的调整运作的运作特征示意图。如图6所示，当控制电路的输入信号的信号强度过于微弱，则控制电路将控制采样保持电路以较大的增益值来对第一模拟信号Sfirst-an进行采样；另一方面，当控制电路的输入信号的信号强度过于强烈，则控制电路将控制采样保持电路以较小的增益值来对第一模拟信号Sfirst-an进行采样，如此一来，将能确保经由本发明的处理电路(如处理电路130、230、330、430)所输出的数字信号具有经过强化的动态范围。
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 (20)
1.一种信号处理电路，包含有：
放大电路，用以接收模拟输入信号并放大所述模拟输入信号以输出第一模拟信号；
控制电路，用以依据所述模拟输入信号输出控制信号；以及
采样保持电路，耦接至所述放大电路以及所述控制电路，用以依据所述控制信号来选择性地调整所述采样保持电路的增益系数，并依据所述第一模拟信号以及所述增益系数输出第二模拟信号。
2.如权利要求1所述的信号处理电路，其还包含有：
处理电路，耦接至所述采样保持电路，用以依据至少所述第二模拟信号来输出数字信号。
3.如权利要求2所述的信号处理电路，其中所述采样保持电路还依据所述第一模拟信号以及参考增益系数以产生第三模拟信号；且所述处理电路依据所述第二模拟信号以及所述第三模拟信号产生所述数字信号。
4.如权利要求1所述的信号处理电路，其中所述放大电路是可编程增益放大器，且所述控制电路参照所述第一模拟信号的信号强度产生所述控制信号。
5.如权利要求4所述的信号处理电路，其中所述控制电路比较所述第一模拟信号的所述信号强度与至少一临界值以决定所述控制信号。
6.如权利要求5所述的信号处理电路，其中当所述第一模拟信号的所述信号强度大于所述临界值，则所述控制信号控制所述采样保持电路而将所述增益系数设定为第一增益值；当所述第一模拟信号的所述信号强度小于所述临界值，则所述控制信号控制所述采样保持电路将所述增益系数设定为不同于所述第一增益值的第二增益值。
7.如权利要求6所述的信号处理电路，其中所述第二增益值大于所述第一增益值。
8.如权利要求1所述的信号处理电路，其中所述放大电路是可编程增益放大器，且所述控制电路参照所述模拟输入信号的所述信号强度以产生所述控制信号。
9.如权利要求8所述的信号处理电路，其中所述控制电路比较所述模拟输入信号的所述信号强度与至少一临界值以决定所述控制信号。
10.如权利要求9所述的信号处理电路，其中当所述模拟输入信号的所述信号强度大于所述临界值，则所述控制信号控制所述采样保持电路将所述增益系数设定为第一增益值；当所述模拟输入信号的所述信号强度小于所述临界值，则所述控制信号控制所述采样保持电路将所述增益系数设定为不同于所述第一增益值的第二增益值。
11.如权利要求10所述的信号处理电路，其中所述第二增益值大于所述第一增益值。
12.如权利要求1所述的信号处理电路，其中所述采样保持电路包含有第一电容以及第二电容其用以决定所述增益系数，且所述第一电容以及所述第二电容中的至少一电容是可调式电容。
13.一种信号处理方法，包含有：
接收模拟输入信号并放大所述模拟输入信号以输出第一模拟信号；
依据所述模拟输入信号输出控制信号；
依据所述控制信号以选择性地来调整采样保持电路的增益系数；
利用所述采样保持电路以依据所述第一模拟信号以及所述增益系数来输出第二模拟信号。
14.如权利要求13所述的信号处理方法，其还包含有；
依据至少所述第二模拟信号以输出数字信号。
15.如权利要求14所述的信号处理方法，其还包含有；
利用所述采样保持电路以依据所述第一模拟信号以及参考增益系数而产生第三模拟信号；
其中输出所述数字信号的步骤包含有：
依据所述第二模拟信号以及所述第三模拟信号来产生所述数字信号。
16.如权利要求13所述的信号处理方法，其中依据所述模拟输入信号以输出所述控制信号的步骤包含有：
参照所述第一模拟信号的信号强度以决定所述控制信号。
17.如权利要求16所述的信号处理方法，其中参照所述第一模拟信号的所述信号强度以决定所述控制信号的步骤包含有：
比较所述第一模拟信号的所述信号强度与至少一临界值以决定所述控制信号。
18.如权利要求17所述的信号处理方法，其中当所述第一模拟信号的所述信号强度大于所述临界值，则所述控制信号控制所述采样保持电路以将所述增益系数设定为第一增益值；当所述第一模拟信号的所述信号强度小于所述临界值，则所述控制信号控制所述采样保持电路以将所述增益系数设定为不同于所述第一增益值的第二增益值。
19.如权利要求13所述的信号处理方法，其中依据所述模拟输入信号以输出所述控制信号的步骤包含有：
参照所述模拟输入信号的所述信号强度以决定所述控制信号。
20.如权利要求19所述的信号处理方法，其中参照所述模拟输入信号的所述信号强度以决定所述控制信号的步骤包含有：
比较所述模拟输入信号的所述信号强度与至少一临界值来决定所述控制信号；其中当所述模拟输入信号的所述信号强度大于所述临界值时，则所述控制信号控制所述采样保持电路将所述增益系数设为第一增益值；当所述模拟输入信号的所述信号强度小于所述临界值，则所述控制信号控制所述采样保持电路将所述增益系数设定为不同于所述第一增益值的第二增益值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |