CN104469192A - 补偿电路和图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种补偿电路和图像传感器，补偿电路包括：比较器、计数器和信号产生单元；比较器的负相输入端适于输入斜坡信号，比较器的输出端连接所述计数器的输入端；所述计数器的输出端连接所述信号产生单元；所述信号产生单元适于输出所述斜坡信号，所述斜坡信号的起始电压与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关，所述斜坡信号的终止电压与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关。
Description
技术领域
本发明涉及一种补偿电路和图像传感器。
背景技术
图像传感器的目的是为了将拍摄的图像(光信号)转换成电信号用于远距离播放，主要有金属氧化物半导体(CMOS)和电荷耦合装置(CCD)两种类型，应用十分广泛。
半导体图像传感器，通常指互补式金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合装置(CCD)，可以把光信号转换为电信号供后续图像系统进行处理，具有广泛的应用。
图像传感器的像素将光信号转换成的电荷转移到存储节点，而后通过源极跟随器输出。为了削弱源极跟随器的噪声，每个像素要通过位线先后输出两次信号，一次是复位电平，一次是在复位电平基础上的信号电平。将信号电平与复位电平做减法运算时，可以得到滤除低频噪声的信号。
所谓黑电平，即图像数据为0时对应的信号电平，黑电平的上下调节会影响图像的亮暗。过大的黑电平会使图像偏亮，从而牺牲后续电路能处理的信号范围；黑电平过小，则图像偏暗甚至会丢失暗区域的信息。
由于工艺的非理想性，导致像素在绝对黑的情况下仍有暗电流产生，像素量化值有一个非0的偏移量，导致黑电平上移或下移，一定程度上影响了图像的质量，同时挤压了后续电路对有效曝光信号进行处理的空间，影响整体系统的性能。为了抑制暗电流的影响，通常使用几行或几列遮黑像素的量化值作为暗电流的参考量，然后在正常像素的量化结果中减去参考量，实现黑电平补偿。
传统的黑电平补偿方法需要使用采样保持电路。根据暗电流参考量和图像处理的要求计算出补偿电压。但是随着图像传感器阵列的增长、功耗的制约、芯片大小的控制等因素的影响，越来越多的图像传感器舍弃了采样保持电路来减小芯片尺寸、功耗，提高速度，因此传统的黑电平补偿方法无法继续使用。
发明内容
本发明解决的问题是进行黑电平补偿。
为解决上述问题，本发明提供一种补偿电路，包括：比较器、计数器和信号产生单元；
比较器的负相输入端适于输入斜坡信号，比较器的输出端连接所述计数器的输入端；
所述计数器的输出端连接所述信号产生单元；
所述信号产生单元适于输出所述斜坡信号，所述斜坡信号的起始电压与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关，所述斜坡信号的终止电压与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关。
可选的，所述比较器的正相输入端适合输入像素信号，所述像素信号在第一时刻由第一电平变为第二电平。
可选的，所述斜坡信号的起始时间晚于所述第一时刻。
可选的，所述信号产生单元还适于在输出所述斜坡信号之前输出恒定电压信号，所述恒定电压信号的电压与所述斜坡信号的起始电压不相等。
可选的，所述信号产生单元包括：
编码控制电路，适于获得所述计数结果和预设值的差异大小；
电压产生电路，适于产生所述恒定电压信号以及与所述差异大小对应的起始电压和终止电压；
斜坡产生电路，适于输出所述恒定电压信号，并根据所述起始电压和终止电压输出所述斜坡信号。
可选的，所述斜坡产生电路包括：单倍增益放大器、至少一个电容和至少一个连接开关和复位开关，所述电容和连接开关的数量相等；
所述至少一个电容的第一端均连接所述单倍增益放大器的输入端，所述至少一个电容的第二端与所述至少一个连接开关的第一端一一对应连接；
所述至少一个连接开关的第二端适于输入所述起始电压，所述至少一个连接开关的第三端适于输入所述终止电压；
所述单倍增益放大器的输出端连接所述比较器的负相输入端；
所述复位开关的第一端连接所述单倍增益放大器的输入端，所述复位开关的第二端适于输入所述恒定电压信号。
可选的，所述信号产生单元包括：
编码控制电路，适于获得所述计数结果和预设值的差异大小；
电压产生电路，适于产生与所述差异大小对应的起始电压和终止电压；
斜坡产生电路，适于根据所述起始电压和终止电压输出所述斜坡信号。
可选的，所述斜坡产生电路包括：单倍增益放大器、至少一个电容和至少一个连接开关，所述电容和连接开关的数量相等；
所述至少一个电容的第一端均连接所述单倍增益放大器的输入端，所述至少一个电容的第二端与所述至少一个连接开关的第一端一一对应连接；
所述至少一个连接开关的第二端适于输入所述起始电压，所述至少一个连接开关的第三端适于输入所述终止电压；
所述单倍增益放大器的输出端连接所述比较器的负相输入端。
本发明实施例还提供一种图像传感器，包括：像素阵列、位线和上述补偿电路，所述位线连接所述像素阵列和比较器的正相输入端。
与现有技术相比，输入至本发明比较器的斜坡信号的起始电压和终止电压与计数器的计数结果和预设值的差异大小相关，根据黑电平补偿所需来设置预设值，即可获得补偿后的像素量化值。
附图说明
图1为一种现有图像传感器的信号输出电路结构示意图；
图2为图1所示现有信号输出电路的相关信号示意图；
图3为本发明实施例的补偿电路结构示意图；
图4为图3所示补偿电路的相关信号示意图；
图5为本发明实施例的补偿电路的另一结构示意图。
具体实施方式
图1为一种现有图像传感器的信号输出电路结构示意图。所述信号输出电路包括比较器COMP和计数器。比较器COMP的正相输入端输入像素信号Vpixel，比较器COMP的负相输入端输入斜坡信号Vramp，比较器COMP的输出端连接计数器的输入端D，计数器的输出端Dout输出像素量化值Dsig。
图2为图1所示现有信号输出电路的相关信号示意图，现有信号输出电路的工作过程如下：
像素信号Vpixel在第一时刻t1由复位电平Vrst变为信号电平Vsig；
像素信号Vpixel变为信号电平Vsig之后，斜坡信号Vramp从起始电压VH向终止电压VL逐渐降低，比较器COMP的输出信号Vcomp为低电平，触发了计数器从0开始计数；
当斜坡信号Vramp的电压值降低至与信号电平Vsig相等时，比较器COMP的输出信号Vcomp由低电平变为高电平，计数器停止计数，此时计数器的计数结果作为像素量化值Dsig1。
发明人对上述现有信号输出电路进行了研究发现，像素量化值的大小与斜坡信号相关：斜坡信号向下平移时像素量化值会变小，斜坡信号向上平移时像素量化值会变大。
基于上述研究发现，发明人提出一种补偿电路，通过对斜坡信号的调整来进行黑电平的补偿。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图3所示，本发明实施例提供的补偿电路包括：比较器COMP、计数器1和信号产生单元2。
比较器COMP的负相输入端适于输入斜坡信号Vramp，比较器COMP的输出端连接所述计数器1的输入端；所述计数器1的输出端连接所述信号产生单元2。所述信号产生单元2适于输出所述斜坡信号Vramp，所述斜坡信号Vramp的起始电压与所述计数器1的计数结果和预设值Dref的差异大小相关，所述斜坡信号Vramp的终止电压与所述计数器的计数结果和预设值Dref的差异大小相关。计数器1的时钟信号端Clk适于接收工作时钟。
如图4所示，所述比较器COMP的正相输入端适合输入像素信号Vpixel，所述像素信号Vpixel在第一时刻t1由第一电平Vrst变为第二电平Vsig。比较器COMP的正相输入端可以连接位线，所述位线连接由像素单元构成的像素阵列。第一电平Vrst为复位电平，第二电平Vsig为信号电平。
与现有技术所不同的，本实施例比较器COMP输入的斜坡信号Vramp的起始电压和终止电压与计数器的计数结果和预设值Dref的差异大小相关，根据黑电平补偿所需来设置预设值Dref，即可获得补偿后的像素量化值Dsig。
本实施例的信号产生单元2还适于在输出所述斜坡信号Vramp之前输出恒定电压信号，所述恒定电压信号的电压与所述斜坡信号的起始电压不相等。
假设像素量化值越大图像越亮，恒定电压信号的电压值为VH，斜坡信号Vramp的起始电压为VH-Vc，斜坡信号Vramp的终止电压为VL-Vc，结合图,3和图4，本实施例的补偿电路工作过程如下：
像素信号Vpixel在第一时刻t1由复位电平Vrst变为信号电平Vsig；
信号产生单元2输出恒定电压信号，比较器COMP根据信号电平Vsig和恒定电压信号输出低电平的输出信号Vcomp，触发了计数器从0开始计数；
计数结果被反馈到信号产生单元2，信号产生单元2根据计数结果和预设值Dref的差异大小将斜坡信号Vramp的起始电压设置为VH-Vc，终止电压设置为VL-Vc，斜坡信号Vramp由VH-Vc向VL-Vc逐渐降低；
当输入至比较器COMP的斜坡信号Vramp电压降低至与信号电平Vsig相等时，比较器COMP的输出信号Vcomp由低电平变为高电平，计数器停止计数，此时计数器的计数结果作为像素量化值Dsig2。
从图4可以看出，本实施例比较器COMP的输出信号Vcomp由低电平变为高电平的翻转时间比现有技术要早，使得计数器停止计数的时间较现有技术要早，因此像素量化值Dsig2比现有技术的像素量化值Dsig1要小，因此图像变暗，实现了黑电平的补偿。根据实际情况，所述Vc的值可以为正值或负值。
如图5所示，所述信号产生单元2包括:编码控制电路21、电压产生电路22和斜坡产生电路23。
编码控制电路21适于获得所述计数结果和预设值Dref的差异大小，电压产生电路22适于输出与所述差异大小对应的起始电压和终止电压，斜坡产生电路23适于根据所述起始电压和终止电压产生所述斜坡信号Vramp。
所述斜坡产生电路23可以包括：单倍增益放大器OP、n个电容、n个连接开关和复位开关k0。
n个电容的第一端均连接所述单倍增益放大器OP的输入端，n个电容的第二端与n个连接开关的第一端一一对应连接；n个连接开关的第二端适于输入所述起始电压VH-Vc，n个连接开关的第三端适于输入所述终止电压VL-Vc；单倍增益放大器OP的输出端连接所述比较器COMP的负相输入端。复位开关k0的第一端连接所述单倍增益放大器OP的输入端，所述复位开关k0的第二端适于输入所述恒定电压信号。
具体的，电容C1、C2……Cn的第一端均连接所述单倍增益放大器OP的输入端，电容C1、C2……Cn的第二端分别与连接开关k1、k2……kn的第一端一一对应连接。
连接开关k1、k2……kn的第二端均适于输入所述起始电压VH-Vc，连接开关k1、k2……kn的的第三端适于输入所述终止电压VL-Vc。
复位开关k0的第一端连接所述单倍增益放大器OP的输入端，所述复位开关k0的第二端适于输入恒定电压信号。
复位开关k0闭合、全部连接开关的第一端和第二端连接时，斜坡产生电路23输出恒定电压信号。待编码控制电路21计算出计数结果和预设值Dref的差异大小，电压产生电路2根据该差异大小输出起始电压VH-Vc和终止电压VL-Vc时，单倍增益放大器OP的输出电压由恒定电压信号的电压值VH突然变为起始电压VH-Vc，此后，连接开关k1、k2……kn依次由第一端和第二端连接变为第一端和第三端连接，单倍增益放大器OP的输出电压由起始电压VH-Vc向终止电压VL-Vc逐渐降低。
本实施例的斜坡产生电路23也可以采用其他现有技术实现，此处不加限制。
本实施例还提供一种图像传感器，包括：像素阵列、位线和上述实施例的补偿电路，所述位线连接所述像素阵列和比较器的正相输入端。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (9)
1.一种补偿电路，其特征在于，包括：比较器、计数器和信号产生单元；
比较器的负相输入端适于输入斜坡信号，比较器的输出端连接所述计数器的输入端；
所述计数器的输出端连接所述信号产生单元；
所述信号产生单元适于输出所述斜坡信号，所述斜坡信号的起始电压与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关，所述斜坡信号的终止电压与所述计数器的计数结果和预设值的差异大小相关。
2.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述比较器的正相输入端适合输入像素信号，所述像素信号在第一时刻由第一电平变为第二电平。
3.如权利要求2所述的补偿电路，其特征在于，所述斜坡信号的起始时间晚于所述第一时刻。
4.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述信号产生单元还适于在输出所述斜坡信号之前输出恒定电压信号，所述恒定电压信号的电压与所述斜坡信号的起始电压不相等。
5.如权利要求4所述的补偿电路，其特征在于，所述信号产生单元包括：
编码控制电路，适于获得所述计数结果和预设值的差异大小；
电压产生电路，适于产生所述恒定电压信号以及与所述差异大小对应的起始电压和终止电压；
斜坡产生电路，适于输出所述恒定电压信号，并根据所述起始电压和终止电压输出所述斜坡信号。
6.如权利要求5所述的补偿电路，其特征在于，所述斜坡产生电路包括：单倍增益放大器、至少一个电容、至少一个连接开关和复位开关，所述电容和连接开关的数量相等；
所述至少一个电容的第一端均连接所述单倍增益放大器的输入端，所述至少一个电容的第二端与所述至少一个连接开关的第一端一一对应连接；
所述至少一个连接开关的第二端适于输入所述起始电压，所述至少一个连接开关的第三端适于输入所述终止电压；
所述单倍增益放大器的输出端连接所述比较器的负相输入端；
所述复位开关的第一端连接所述单倍增益放大器的输入端，所述复位开关的第二端适于输入所述恒定电压信号。
7.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述信号产生单元包括：
编码控制电路，适于获得所述计数结果和预设值的差异大小；
电压产生电路，适于产生与所述差异大小对应的起始电压和终止电压；
斜坡产生电路，适于根据所述起始电压和终止电压输出所述斜坡信号。
8.如权利要求7所述的补偿电路，其特征在于，所述斜坡产生电路包括：单倍增益放大器、至少一个电容和至少一个连接开关，所述电容和连接开关的数量相等；
所述至少一个电容的第一端均连接所述单倍增益放大器的输入端，所述至少一个电容的第二端与所述至少一个连接开关的第一端一一对应连接；
所述至少一个连接开关的第二端适于输入所述起始电压，所述至少一个连接开关的第三端适于输入所述终止电压；
所述单倍增益放大器的输出端连接所述比较器的负相输入端。
9.一种图像传感器，其特征在于，包括：像素阵列、位线和权利要求1至8任一权利要求所述的补偿电路，所述位线连接所述像素阵列和比较器的正相输入端。
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