CN103595932B - 图像传感器和减少功率消耗的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及用于CMOS图像传感器中的列斜坡比较器的噪声匹配动态偏置。图像传感器的实施例包含具有布置成若干行及列的多个像素的像素阵列。控制电路耦合到每一行中的像素，且模/数转换器耦合到所述像素阵列的每一列中的像素。每一模/数转换器包含斜坡比较器及可变电流源，所述可变电流源耦合到所述斜坡比较器以将可变偏置电流提供到所述斜坡比较器。在像素行的读取期间，可根据动态偏置电流分布曲线来调整所述偏置电流，所述动态偏置电流分布曲线维持所述像素的随机噪声与可接受噪声电平之间的至少所规定容限。本发明揭示并主张其它实施例。

Description

图像传感器和减少功率消耗的方法
技术领域
本发明大体来说涉及图像传感器，且特定来说(但非排他性地)涉及用于CMOS图像传感器中的列斜坡比较器的噪声匹配动态偏置。
背景技术
图像传感器广泛地用于数码静物相机、蜂窝式电话及安全摄像机以及医疗、汽车及其它应用中。较高分辨率及较低功率消耗的双重需求已促进图像传感器的进一步小型化及集成，且用以制造传感器、尤其是互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器的技术已不断快速地进步以满足所述需求。其中使用图像传感器的许多装置的便携式性质意味着其为电池供电的且其特别强调减少图像传感器功率消耗使得装置的电池寿命可为尽可能长的。尽管在降低图像传感器的功率消耗方面具有实质进步，但仍存在用于进一步减少功率消耗的方式。
发明内容
本申请案的一个方面涉及一种图像传感器，其包括：像素阵列，其具有布置成若干行及列的多个像素；控制电路，其耦合到每一行中的像素；模/数转换器，其耦合到所述像素阵列的每一列中的像素，每一模/数转换器包括：斜坡比较器；以及可变电流源，其耦合到所述斜坡比较器以将可变偏置电流提供到所述斜坡比较器，其中在像素行的读取期间根据动态偏置电流分布曲线来调整所述偏置电流，所述动态偏置电流分布曲线维持所述像素的随机噪声与可接受噪声电平之间的至少所规定容限。
本申请案的另一方面涉及一种方法，其包括：将模/数转换器耦合到像素阵列的每一列，所述像素阵列具有布置成若干行及列的多个像素且具有耦合到所述像素阵列的控制电路，每一模/数转换器包括：斜坡比较器；以及可变电流源，其耦合到所述斜坡比较器以将可变偏置电流提供到所述斜坡比较器；以及在像素行的读取期间根据偏置电流分布曲线调整所述偏置电流，所述偏置电流分布曲线维持所述像素的随机噪声与可接受噪声电平之间的至少所规定容限。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。
图1是图像传感器的实施例的示意图。
图2A是经配置以作为模/数转换器(ADC)操作的斜坡比较器的实施例的示意图。
图2B是图解说明用作模/数转换器(ADC)的斜坡比较器的输入及输出的图式。
图3是包含可变偏置电流源的斜坡比较器的实施例的示意图。
图4是包含可变偏置电流源的斜坡比较器的替代实施例的示意图。
图5是可与图3到4的斜坡比较器一起使用的动态偏置电流分布曲线的实施例的图表。
图6A是像素阵列固定模式噪声(FPN)与比较器偏置电流之间的关系的实施例的图表。
图6B是图像传感器中的输出信号与固定模式噪声(FPN)之间的关系的实施例的图表。
具体实施方式
本文描述用于CMOS图像传感器中的列斜坡比较器的噪声匹配动态偏置的设备、系统及方法的实施例。描述众多特定细节以提供对本发明的实施例的透彻理解，但相关领域的技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一者或一者以上的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本发明。在一些实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，但尽管如此其仍涵盖在本发明的范围内。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个所描述的实施例中。因此，在本说明书中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，所述特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一个或一个以上实施例中。
图1图解说明图像传感器100的实施例。图像传感器100包含像素阵列102、控制电路104、读出电路106、SRAM 110及功能逻辑112。
像素阵列102为图像传感器元件或像素(例如，像素P1、P2、…、Pn)的二维阵列。在一个实施例中，每一像素可为前侧照明式互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像像素。在既定捕获彩色图像的像素阵列的实施例中，像素阵列102可包含彩色滤光器模式，例如拜耳模式或红色滤光器、绿色滤光器及蓝色滤光器的镶嵌块(例如，RGB、RGBG或GRGB)；青色、品红色及黄色(例如，CMY)的彩色滤光器模式；两者的组合或其它。如所图解说明，像素阵列中的像素被布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、地点或对象的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述人、地点或对象的2D图像。
控制电路104耦合到像素阵列102以控制所述阵列的操作特性。举例来说，控制电路104可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实施例中，所述快门信号可为用于同时启用像素阵列102内的所有像素以在单个获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在替代实施例中，快门信号为借以在连续获取窗期间依序启用每一像素行、每一像素列或每一像素群组的滚动快门信号。控制电路104还控制在获取图像数据之后对所述图像数据的读出，举例来说，通过使用逐行且在每一行内逐列地读取图像数据的滚动读出方案。
读出电路106耦合到像素阵列102及控制电路104以在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后读出及数字化像素数据。读出电路106可包含放大电路、模/数(“ADC”)转换电路或其它电路。在所图解说明的实施例中，读出电路包含多个ADC，使得像素阵列的每一列具有其自己的ADC。在图像传感器100的其它实施例中，在列与ADC之间不需要存在一对一对应性—换句话说，在其它实施例中，每一ADC可耦合到一个以上像素列。在其它实施例中，读出电路106可使用多种其它技术(未图解说明读出图像数据，例如列读出、串行读出或所有像素同时的全并行读出。
在像素阵列102中的每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路106读出且接着传送到SRAM 110，在SRAM 110处，可永久地保存所述图像数据或可暂时保存所述图像数据直到可将其传送到功能逻辑112为止。功能逻辑112可仅存储所述图像数据或甚至经由图像处理器通过应用后图像效果(例如，图像压缩、剪裁、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。
图2A图解说明模/数转换器(ADC)200的实施例。ADC 200包含经配置以充当斜坡比较器的运算放大器(op-amp)202。运算放大器202包含像素信号耦合到的信号输入204及斜坡电压耦合到的参考输入206。当以此方式配置时，运算放大器202将运算放大器202的两个输入进行比较。当像素信号到斜坡信号且产生为数字写入信号208的输出。运算放大器202的数字输出耦合到静态随机存取存储器(SRAM)110的输入。当运算放大器202的输入相等时，可将数字写入信号208发送到SRAM 110，此时，将计数器210的当前值写入到SRAM 110中。
图2B图解说明斜坡比较器202的输入及输出；顶部图展示模拟输入，底部图展示对应数字输出。运算放大器202的模拟输入为像素信号及大致斜坡形参考信号。运算放大器202将像素信号与参考信号进行比较。如果像素信号等于斜坡信号，那么输出为高电压—即，数字“1”。但如果像素信号小于斜坡信号，那么输出为低电压—即，数字“0”，如图中所展示。
图3图解说明单级模/数转换器(ADC)300的实施例。ADC 300包含经配置以充当斜坡比较器的运算放大器(op-amp)302。运算放大器302包含像素信号耦合到的信号输入304及斜坡电压耦合到的参考输入306。可变电流源308耦合到运算放大器302的电力输入310，且电流控制312可耦合到可变电流源308。运算放大器302的输出耦合到静态随机存取存储器(SRAM)110的输入。当运算放大器302的输入相等时，可将数字写入信号208发送到SRAM110，在此时间将计数器210的当前值写入到SRAM 110中。
可变电流源308将可变偏置电流输入(Ibias)提供到运算放大器302。在所图解说明的实施例中，可变电流源308耦合到运算放大器302的电力输入，但在其它实施例中，可变电流源308可耦合到信号输入304或耦合到参考输入306。可变电流源308还耦合到电流控制312，电流控制312包含用以控制可变电流源的输出Ibias的值的电路与逻辑，从而允许可变电流源308将动态偏置电流分布曲线(即，偏置电流Ibias随着时间的变化)施加到运算放大器302。下文结合图5及6A到6B图解说明及进一步解释动态偏置电流分布曲线的实例。
图4图解说明多级模/数转换器(ADC)400的实施例。在所图解说明的实施例中，ADC400使用经配置以作为斜坡比较器操作的三个运算放大器，但其它多级实施例可包含更多或更少的运算放大器。ADC 400包含第一运算放大器402、第二运算放大器404及第三运算放大器406，其中第一运算放大器402经配置以作为斜坡比较器操作。运算放大器402包含像素信号耦合到的信号输入及斜坡电压耦合到的参考输入。可变电流源408耦合到运算放大器402的电力输入，且电流控制410可耦合到可变电流源408。电流控制410在其中包含用以控制可变电流源408的输出Ibias的值的电路逻辑使得可将动态偏置电流分布曲线施加到运算放大器402。自动复位422耦合到运算放大器402的像素信号输入、运算放大器402的输出。
第二运算放大器404使其信号输入通过电容器420耦合到第一运算放大器402的输出。不同于第一运算放大器402，第二运算放大器404被配置为单端输入运算放大器。运算放大器404的电力输入耦合到可变电流源412。可变电流源412耦合到电流控制414，像电流控制412一样，电流控制414在其中包含用以控制可变电流源412的输出Ibias的值的电路逻辑使得可将动态偏置电流分布曲线施加到运算放大器404。自动复位424耦合到运算放大器404的像素信号输入及运算放大器404的输出。
第三运算放大器406使其信号输入耦合到第二运算放大器404的输出。类似于第二运算放大器404，第三运算放大器406被配置为单端输入运算放大器。运算放大器406的电力输入耦合到可变电流源416。可变电流源416耦合到电流控制418，电流控制418包含用以控制可变电流源416的输出Ibias的值的电路与逻辑使得可将动态偏置电流分布曲线施加到运算放大器406。自动复位426耦合到运算放大器406的像素信号输入及运算放大器406的输出。运算放大器406的输出耦合到静态随机存取存储器(SRAM)110，且SRAM 110又耦合到时控计数器210。
在ADC 400的所图解说明的实施例中，运算放大器402、404及406中的每一者具有其自己的电流控制410、414及418，但在其它实施例中，可将电流控制组合到耦合到所有三个运算放大器的单个控制器中。在一个实施例中，可向每个运算放大器施加相同动态偏置电流分布曲线，而不管所述运算放大器具有其自己的控制器还是共享共同的控制器，但在其它实施例中，可向不同运算放大器施加不同动态偏置电流分布曲线。下文结合图5及6A到6B进一步解释动态偏置电流分布曲线的实施例。
图5图解说明可施加到单级ADC 300中的运算放大器或施加到多级ADC 400中的运算放大器中的一者或一者以上的动态偏置电流分布曲线的实施例。在所图解说明的动态偏置电流分布曲线中，垂直轴表示施加到运算放大器的偏置电流(Ibias)，而水平轴表示时间。图表中的实线图解说明动态偏置电流分布曲线的实施例，而水平虚线图解说明恒定偏置电流。
将动态偏置电流分布曲线划分成三个主要周期：取样周期、斜坡周期及读出周期。在取样周期中，偏置电流在时间t0处以维持直到时间t1的低电平开始。在t1与t2之间，所述偏置电流斜升到值Ib1，在一个实施例中，其可为大致等于将在恒定偏置电流方案中使用的偏置电流的偏置电流。时间t2经设定以在斜坡周期开始之前发生，使得偏置电流Ibias可达到所要电平且可在斜坡周期的开始前稳定。
从在取样周期期间发生的时间t2起直到在斜变周期期间发生的时间t3，偏置电流维持处于其高电平。在时间t3处开始，偏置电流可在时间t4(其也在斜坡周期内)处从其高电平斜降到较低电平。t4处的较低偏置电流电平以及在t3与t4之间偏置电流减小的速率由信号电平及维持将产生可接受的图像质量的所规定噪声容限的必然性确定。在t4与t5之间，偏置电流保持处于较低电平；t5在读出周期内，此意味着从t4起保持同一较低偏置电流电平直到至少斜坡周期的结束为止。在时间t5之后，可在读出的剩余部分内甚至进一步降低所述偏置电流。在一个实施例中，在t5之后，可将偏置电流降低到零，但在大多数实施例中，偏置电流将不降低到零使得其可在下一取样周期的开始较快速地斜升。
图6A到6B图解说明如何公式化动态偏置电流分布曲线(图5中展示其一个实施例)的实施例。图6A大体图解说明图像传感器中的偏置电流与垂直固定模式噪声(VFPN)之间的关系；针对特定图像传感器，通过测试来大体确定偏置电流与VFPN之间的关系。如曲线602所展示，所述关系大体为逆关系，此意味着固定模式噪声随着增加的偏置电流下降。在所图解说明的实施例中，所述逆关系看上去为非线性且双曲线的，但在其它实施例中，偏置电流与固定模式噪声之间的逆关系可采取其它形式，例如线性关系或除所展示的关系以外的某一关系。
图6B图解说明图像传感器中的垂直固定模式噪声(或更精确地说，固定模式噪声的平方，FPN2)与输出信号之间的关系。顶部曲线604展示在模/数转换期间当不施加偏置电流时FPN与信号之间的关系；一般来说，其为直接关系，此意味着FPN随着信号强度而增加。底部线606展示在信号的模/数转换期间当施加恒定偏置电流方案时FPN与信号强度之间的关系。在此情况中，FPN保持大致恒定，此意味着其不随着信号强度而很大地变化。如可从图表看出，其中不施加偏置电流的曲线604与其中施加恒定偏置电流的曲线606之间的容限随着信号电平而增加。但在某一信号电平下，曲线604与曲线606之间的容限变得大于获得可接受图像质量所必需的容限—即，大于获得具有可接受的低噪声的图像所需要的容限。大于所必需容限意味着超过某一信号电平，恒定偏置电流方案即为过度设计的。过度设计意味着，所使用的偏置电流过高，且过高电流直接转变成过量功率使用。
中间线608展示在信号范围的大部分中维持固定噪声容限且形成图5中所展示的动态偏置电流分布曲线的基础的关系。如上文所论述，图6A确立FPN随着减小的运算放大器偏置电流而上升。因此，在曲线608中，偏置电流以维持曲线604与608之间的大致恒定容限Δ(而不是存在于随机噪声曲线604与恒定偏置曲线608之间的单调增加的容限)的速率随着信号强度而减小。维持曲线608与曲线604之间的恒定Δ的此减小的偏置电流对应于图5中的时间t3与t4之间的下降的偏置电流。在所图解说明的实施例中，噪声容限Δ为大致40dB，但在其它实施例中，所述噪声容限可具有较低值(举例来说，大致20dB)或较高值(举例来说，大致60dB)。
如图中所展示，在高于曲线608上的点610处的信号电平的信号电平下，噪声容限Δ不再恒定，而是开始增加。这是因为在某一点处，停止减小偏置电流以避免使其一直降到零变得有必要。不允许偏置电流一直降到零为合意的，使得运算放大器将在下一读取循环中(即，在像素阵列中的下一像素行的读取中)更能做出响应—即，偏置电流可再次较快速地斜升。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种等效修改。可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。
所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (18)

1.一种图像传感器，其包括：
像素阵列，其具有布置成若干行及列的多个像素；
控制电路，其耦合到每一行中的像素；
模/数转换器，其耦合到所述像素阵列的每一列中的像素，每一模/数转换器包括：
斜坡比较器，以及
可变电流源，其耦合到所述斜坡比较器以将可变偏置电流提供到所述斜坡比较器，
其中在像素行的读取期间根据动态偏置电流分布曲线来调整所述偏置电流，所述动态偏置电流分布曲线至少维持所述像素阵列的随机噪声与可接受噪声电平之间的所规定容限。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述斜坡比较器为经配置以用作比较器的运算放大器。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述斜坡比较器为包括单个运算放大器的单级比较器。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述斜坡比较器为包括多个运算放大器的多级比较器。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其中所述多个运算放大器中的每一者耦合到可将可变偏置电流提供到其相应运算放大器的可变电流源。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述多个运算放大器中的每一者中的所述偏置电流是根据所述同一偏置电流分布曲线调整的。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述偏置电流分布曲线是基于所述像素阵列的噪声曲线及所述像素阵列的固定模式噪声与产生可接受图像质量的噪声电平之间的所规定容限而确定的。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述所规定容限在20dB与40dB之间。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
静态随机存取存储器SRAM，其耦合到所述模/数转换器的输出；以及
时控计数器，其耦合到所述SRAM。
10.一种减少功率消耗的方法，其包括：
将模/数转换器耦合到像素阵列的每一列，所述像素阵列具有布置成若干行及列的多个像素且具有耦合到每一行中的像素的控制电路，每一模/数转换器包括：
斜坡比较器，以及
可变电流源，其耦合到所述斜坡比较器以将可变偏置电流提供到所述斜坡比较器；以及
在像素行的读取期间根据偏置电流分布曲线调整所述偏置电流，所述偏置电流分布曲线至少维持所述像素阵列的随机噪声与可接受噪声电平之间的所规定容限。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述斜坡比较器为经配置以用作比较器的运算放大器。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述斜坡比较器为包括单个运算放大器的单级比较器。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述斜坡比较器为包括多个运算放大器的多级比较器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述多个运算放大器中的每一者耦合到可将可变偏置电流提供到其相应运算放大器的可变电流源。
15.根据权利要求14所述的方法，其中根据所述同一偏置电流分布曲线调整所述多级斜坡比较器中的所述多个运算放大器中的每一者中的所述偏置电流。
16.根据权利要求10所述的方法，其中基于所述像素阵列的噪声曲线及所述像素阵列的固定模式噪声与产生可接受图像质量的噪声电平之间的所规定容限而确定所述偏置电流分布曲线。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述所规定容限在20dB与40dB之间。
18.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
将静态随机存取存储器SRAM耦合到所述模/数转换器的输出；以及
将时控计数器耦合到所述SRAM。
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