CN103139491A - 一种高动态范围低噪声的cmos 传感器芯片 - Google Patents

Abstract

一种高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其包括：电源单元及其与该电源单元连通的光强检测单元、采样单元、积分单元和反馈检出单元，以及位切换控制单元，其中：所述光强检测单元包括光强检测模组、复位模组和计数存储位模组，所述光强检测模组在达到积分触发时间后，藉由该复位模组对该光强检测模组的电压进行复位，并通过该计数存储位模组来记录并存储该时间内积分触发的次数，藉由此等形状、结构及其连接关系的结合，实现了该高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片的设计构造。

Description

一种高动态范围低噪声的CMOS 传感器芯片

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是指一种高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片。 

背景技术

随着CMOS工艺不断革新，电源电压在革新中不断降低，现介于传统感应电压变化的CMOS偏振图像传感器设计，在动态范围以及信噪比方面受到相当多限制的实际。针对这种现象，本发明人通过认真研究、实验，提出了感应积分时间的CMOS偏振图像传感器，以改善传统CMOS偏振图像传感器的动态范围。从而提升运算速率及降低信噪比。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片。 

为实现上述目的，本发明之一种高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其包括：电源单元及其与该电源单元连通的光强检测单元、采样单元、积分单元和反馈检出单元，以及位切换控制单元，其中：所述光强检测单元包括光强检测模组、复位模组和计数存储位模组，所述光强检测模组在达到积分触发时间后，藉由该复位模组对该光强检测模组的电压进行复位，并通过该计数存储位模组来记录并存储该时间内积分触发的次数。 

在本实施例中优选，所述光强检测模组包括感光二极管。 

在本实施例中优选，所述光强检测模组至少集成了四个感光二极管。 

在本实施例中优选，所述感光二极管的光电信号通过所述采样单元转化为数字信号，再通过反馈检出单元来异步，并对所述感光二极管的电压进行复位。 

在本实施例中优选，所述计数存储位模组包括具有计数功能的存储器。 

在本实施例中优选，所述计数存储位模组具有三个控制管和一个反相器。 

在本实施例中优选，所述采样单元包括采样比较模组和基准参考模组。 

在本实施例中优选，所述采样比较模组包括数字比较器，该数字比较器与该基准参考模组连接。 

在本实施例中优选，所述数字比较器分别连接所述积分单元和所述光强检测单元。 

在本实施例中优选，所述位切换控制单元分别与所述计数存储位模组和所述反馈检出单元连接。 

本发明与现有技术相比，其有益效果是： 

1.本实施例较传统感应电压变化的CMOS偏振图像传感器芯片设计而言，在动态范围以及信噪比方面受到了相当多的限制。针对这种现象，本实施例提出了感应积分时间的CMOS偏振图像传感器，以改善传统CMOS偏振图像传感器的动态范围。

2.本实施例采用了感应积分时间的CMOS偏振图像传感器，即采用积分时间和二进制格雷码方式缩小电路，从而提升速率、降低信噪比。 

附图说明

图1是本实施例之方框结构示意图。 

图2是本实施例之部分结构原理图。 

图3是图2中光强检测单元的使用状态图。 

图4是计数存储位模组的电路结构示意图。 

图5是本实施例之逻辑控制电路的结构示意图。 

图6是本实施例之运作时的波形示意图。 

具体实施方式

为详细说明本发明之技术内容、构造特征、所达成目的及功效，以下兹例举实施例并配合附图详予说明。 

请参阅图1，是本实施例之方框结构示意图。该实施例提供了一种高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其包括：与电源单元10连通的光强检测单元20、采样单元30、积分单元40和反馈检出单元50，以及位切换控制单元60，其中： 

请结合参阅图2及图3，图2是本实施例之部分结构原理图，图3是图2中光强检测单元的使用状态图。所述光强检测单元20是随着CMOS工艺的不断革新，电源电压也随之不断降低所作的设计，其包括光强检测模组21、复位模组22和计数存储位模组23。具体地，如图3所示，被预充到相同电平的CMOS图像传感器的光强检测模组21将在不同积分时间异步达到同样的电压变化，我们称之为积分触发时间，在本实施例中，所述光强检测模组21包括感光二极管。在达到积分触发时间以后，我们就通过该复位模组22对该感光二极管的电压进行复位，同时，可以通过像素内的所述计数存储位模组23，即：一个带有计数功能的存储器来记录并存储该时间内积分触发的次数，这样就可以得到与这个次数成正比的光强，这样的设计可以将数模转换部件（ADC）由像素外集成到像素内部，使得感应出来的光电信号可以在最接近该感光二极管的地方得到处理，从而大大地提高了信噪比：

请再结合参阅图3，所述感光二极管的光电信号通过该采样单元30转化为数字信号，再通过反馈检出单元50来异步，并对该二极管的电压进行复位；

请再结合参阅图1及图2，所述采样单元30包括采样比较模组31和基准参考模组32，该采样比较模组31包括数字比较器，该数字比较器与该基准参考模组32连接并接收该基准参考模组32产生的控制信号（如基准值信号），同时，还分别连接、接受所述积分单元40及其产生的信号和所述光强检测单元20及其产生的信号，藉此，对接受的所有信号进行比较并转化为数字信号后，再通过该反馈检出单元50的反馈电路来异步，并对所述感光二极管的电压进行复位，这样在一定的积分时间内，感光像素所对应的光强与复位的次数成正比，通过在像素内的所述计数存储位模组23，即集成的一个带计数功能的存储器，就可以得到其对应的光强；在本实施例中优选，如图4，显示了所述计数存储位模组23的电路结构，该计数存储位模组23是在传统交叉耦合反相器的基础上，引用了三个控制管和一个反相器，藉此来实现存储内容的翻转（即1->0或者0->1）。值得指出的是，这个翻转机制与传统的随机读写存储器不同，要受到该基准参考模组32产生的控制信号（如基准值信号）的影响；在本实施例中优选，如图5，是整个逻辑控制电路的结构示意图，在所述翻转的控制逻辑方面，摈弃了常见的二进制码的计数方式，改为采用格雷码计数方式，以实现最少的翻转次数，而得到最低的动态功耗。为达成这个低功耗的翻转逻辑，并且进一步降低功耗和晶体管数目，该翻转逻辑的电路部分采用了动态电路设计，而非传统的静态CMOS电路。可见，整个控制逻辑电路为PMOS管网络，该PMOS管网络要比传统的静态CMOS电路小很多，这样可以很大程度地降低功耗和像素单元的总面积；在本实施例中，在对整个电路进行级联仿真以后，得到如图6所示的波形图，从该波形图中可以看出，采用格雷码的所述计数存储位模组23功能已经完全实现；在本实施例中，为了实现偏振成像的功能，在所述光强检测模组21的超像素内至少集成了四个感光二极管，该光强检测模组21与该计数存储位模组23连通并互为传输、识别信号，所述计数存储位模组23是具有加减功能的计数存储器，如此，超像素内其中一个感光二极管可以对其实现加法功能，而另一个可以对其实现减法功能，最后保存在该计数存储位模组23中的结果就对应着两个像素的光强差，以及

所述位切换控制单元60，分别与所述计数存储位模组23和所述反馈检出单元50连接，并接受处理这二者传递的数字信号。

综上所述，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。 

Claims (10)

1.一种高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其包括：电源单元及其与该电源单元连通的光强检测单元、采样单元、积分单元和反馈检出单元，以及位切换控制单元，其特征在于：所述光强检测单元包括光强检测模组、复位模组和计数存储位模组，所述光强检测模组在达到积分触发时间后，藉由该复位模组对该光强检测模组的电压进行复位，并通过该计数存储位模组来记录并存储该时间内积分触发的次数。

2.如权利要求1所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述光强检测模组包括感光二极管。

3.如权利要求2所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述光强检测模组至少集成了四个感光二极管。

4.如权利要求3所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述感光二极管的光电信号通过所述采样单元转化为数字信号，再通过反馈检出单元来异步，并对所述感光二极管的电压进行复位。

5.如权利要求1所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述计数存储位模组包括具有计数功能的存储器。

6.如权利要求5所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述计数存储位模组具有三个控制管和一个反相器。

7.如权利要求1所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述采样单元包括采样比较模组和基准参考模组。

8.如权利要求7所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述采样比较模组包括数字比较器，该数字比较器与该基准参考模组连接。

9.如权利要求8所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述数字比较器分别连接所述积分单元和所述光强检测单元。

10.如权利要求1所述的高动态范围低噪声的CMOS传感器芯片，其特征在于：所述位切换控制单元分别与所述计数存储位模组和所述反馈检出单元连接。

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