CN106982336A - 在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法及图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及一种在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法及图像传感器。在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法开始于像素阵列捕获图像数据。像素阵列包含分别用于产生像素数据信号的像素。读出电路从所述像素阵列中的行获取所述图像数据。包含在所述读出电路中的模/数转换ADC电路采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据。当所述ADC电路正在采样时，接地共享开关闭合以将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地。当所述ADC电路未采样时，所述接地共享开关断开以将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离。所述ADC电路将所述经采样图像数据从模拟转换到数字以获得ADC输出。本发明描述了其它实施例。

Description

在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法及 图像传感器
技术领域
本发明的实例大体上涉及具有管线架构的图像传感器。更具体地，本发明的实例涉及用于在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法及系统。
背景技术
高速图像传感器已广泛使用于包含汽车领域、机器视觉领域及专业视频拍摄领域的不同领域中的许多应用中。消费者市场对具有减小滚动快门效果的高速慢动作视频及标准高清晰度(HD)视频的持续需求进一步驱动高速图像传感器的发展。
除帧率及功率消耗要求外，图像传感器也有性能要求。不能牺牲像素读出的质量及精确度来适应帧率或功率消耗的增加。
为了增加帧率，已经在高速图像传感器中实施管线架构，其允许高速图像传感器中发生多个工作流程。然而，来自高速图像传感器中的不同元件的电干扰可使由图像传感器产生的图像质量降级。
发明内容
一方面，本发明提供一种在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法，其包括：由像素阵列捕获图像数据，其中所述像素阵列包含分别用于产生像素数据信号的多个像素；由读出电路从所述像素阵列中的行获取所述图像数据；由包含在所述读出电路中的模/数转换(ADC)电路采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据，其中当所述ADC电路正在采样时，接地共享开关闭合以将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地，及当所述ADC电路未采样时，所述接地共享开关断开以将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离；及由所述ADC电路将所述经采样图像数据从模拟转换到数字以获得ADC输出。
另一方面，本发明提供一种实施动态接地共享的具有管线架构的图像传感器，其包括：像素阵列，其用于捕获帧的图像数据，其中所述像素阵列包含分别用于产生像素数据信号的多个像素；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的行获取所述图像数据，其中所述读出电路包含：模/数转换(ADC)电路，其用于采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据并将所述经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出；接地共享开关，其将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地或将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离，其中所述接地共享开关经动态地控制以(i)当所述ADC电路正在采样时闭合而将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地，(ii)当所述ADC电路未采样时断开而将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离。
在进一步方面中，本发明提供一种实施动态接地共享的具有管线架构的图像传感器，其包括：像素阵列，其用于捕获帧的图像数据，其中所述像素阵列包含分别用于产生像素数据信号的多个像素；及读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的行获取所述图像数据，其中所述读出电路包含：模/数转换(ADC)电路，其用于采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据并将所述经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出；接地共享开关，其将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地或将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离，其中所述接地共享开关经动态地控制以(i)当所述ADC电路正在采样时闭合而将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地，(ii)当所述ADC电路未采样时断开而将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离；及控制电路，其用于控制所述像素阵列的操作特性；及逻辑电路，其用于控制所述读出电路，其中所述逻辑电路或控制电路中的至少一者动态地控制所述接地共享开关。
附图说明
在附图的各图中通过实例的方式而不是通过限制方式说明本发明的实施例，图中相同参考贯穿各图指示相似元件，除非另外说明。应注意，在本发明中对本发明的“一”或“一个”实施例的参考并不一定为相同实施例，且其意味着至少一者。在图中：
图1是说明根据本发明的一个实施例的实施动态接地共享的具有管线架构的实例成像系统的方框图。
图2是说明根据本发明的一个实施例的图1中的成像系统的像素阵列及读出电路的细节的方框图，所述成像系统实施动态接地共享。
图3是说明根据本发明的一个实施例的示范性开关时序信号的时序图。
图4是说明根据本发明的一个实施例的用于在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法的流程图。
对应的参考字符贯穿图式的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图中的元件是出于简单且清楚的目的而说明，且不一定是按比例绘制。例如，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件而被夸大以帮助改进对本发明的各种实施例的理解。并且，为了更清楚地了解本发明的这些各种实施例，通常不描绘在商业可行的实施例中有用或必要的常见但好理解的元件。
具体实施方式
在以下描述中，陈述数种特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，可无需使用这些特定细节实践本发明的实施例。在其它情况中，未展示众所周知的电路、结构或技术以避免使此描述的理解模糊。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参考意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方出现短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可在一或多个实施例中以任何合适方式组合。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能性的其它合适组件中。
根据本发明的教示的实例描述了一种实施动态接地共享的具有管线架构的图像传感器。在管线架构中，在一个图像传感器中可同时发生两个或两个以上工作流程。因此，当将像素的第一行(例如，当前行)复位、传递、采样等时，由模/数转换(ADC)电路转换像素的第二行(例如，先前行)。在此实例中，第一行是在像素阵列中的第二行后面。在一些实施例中，接地共享开关在ADC正采样时闭合而将像素阵列及ADC电路耦合到共同接地，且当ADC电路未采样时断开而将像素阵列及ADC电路与共同接地分离。像素作用对ADC电路产生了电干扰。此可由于像素阵列及ADC电路共享同一模拟接地(例如，共同接地)而引起。然而，当ADC电路采样时，像素阵列及ADC电路共享同一接地是优选的，否则将产生额外噪音。因此，降低了由于像素阵列及ADC电路共享同一共同接地所引起的像素作用对ADC电路的电干扰。
图1是说明根据本发明的一个实施例的实施动态接地共享的具有管线架构的实例成像系统100的方框图。成像系统100可为互补金属氧化物半导体(“CMOS”)图像传感器。如所描绘的实例中展示，成像系统100包含耦合到控制电路120及读出电路110的像素阵列105，读出电路110耦合到功能逻辑115及逻辑控制108。
所说明的像素阵列105的实施例是分别产生像素数据信号的成像传感器或像素单元(例如，像素单元P1、P2……Pn)的二维(“2D”)阵列。在一个实例中，每一像素单元是CMOS成像像素。如所说明，每一像素单元被布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人、位置或物体等的图像数据，接着可使用所述图像数据来渲染人、位置或物体等的图像。像素阵列105可包含可见像素及光学黑色像素(OPB)。可见像素将入射到像素的光转换为电信号(例如，可见信号)并输出可见信号，而OPB输出暗信号。在一个实施例中，像素阵列105捕获图像数据，这可包含将像素阵列105中的像素复位、对像素阵列105中的像素预充电及将像素数据信号传递到读出电路110。
在一个实例中，在每一像素已获取其图像数据或图像电荷之后，由读出电路110经由读出列位线109读出所述图像数据且接着将其传递到功能逻辑115。在一个实施例中，逻辑电路108可控制读出电路110且将图像数据输出到功能逻辑115。在各种实例中，读出电路110可包含放大电路(未说明)、模/数转换(ADC)电路220或其它。功能逻辑115可简单地存储图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、消除红眼、调整亮度、调整对比度或其它)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路110可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
在一个实例中，控制电路120耦合到像素阵列105以控制像素阵列105的操作特性。例如，控制电路120可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，快门信号是全局快门信号，其用于同时启用像素阵列105内的所有像素以在单获取窗期间同时捕获其相应的图像数据。在另一实例中，所述快门信号是滚动快门信号，使得在连续获取窗期间循序地启用像素的每一行、列或群组。
图2是说明根据本发明的一个实施例的图1中的成像系统100的像素阵列105及读出电路120的细节的方框图，所述成像系统实施动态接地共享。在一些实施例中，读出电路110实施相关双采样(CDS)。如图2中展示，读出电路110可包含扫描电路210及ADC电路220。扫描电路210可包含放大电路、选择电路(例如，多路复用器)等以沿着读出列位线109一次读出一行图像数据或可使用例如串行读出或同时完全并行读出所有像素等多种其它技术读出所述图像数据。
在一个实施例中，扫描电路210选择并放大来自行的图像数据且将来自所述行的图像数据传输到ADC电路220。ADC电路220可从扫描电路210或像素阵列105接收来自像素阵列中的行的图像数据。虽然在一些实施例中未说明，但是ADC电路220可包含多个ADC电路。ADC电路可为列ADC的类型(例如，SAR、循环等)。ADC电路对于像素阵列105的每一列而言可为类似的。ADC电路220可采样来自像素阵列105的行的图像数据以获得经采样输入数据。ADC电路220可将经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出。
如图2中展示，接地共享开关201将像素阵列105及ADC电路220耦合到共同接地或将像素阵列105及ADC电路220与共同接地分离。在一个实施例中，接地共享开关201在ADC电路220正采样时闭合而将像素阵列105及ADC电路220耦合到共同接地，且当ADC电路220未采样时断开而将像素阵列105及ADC电路220与共同接地分离。例如，当ADC电路220未采样时，在像素阵列105捕获图像数据或当ADC电路220转换经采样图像数据时，接地共享开关201可断开。
像素阵列105的像素作用对ADC电路220的电干扰可由于像素阵列105及ADC电路220共享同一共同接地而引起。然而，当ADC电路220采样时，像素阵列105及ADC电路220共享同一接地是优选的，因为否则将产生额外噪音。因此，降低了由于像素阵列105及ADC电路220共享同一共同接地而引起的像素作用对ADC电路220的电干扰。
在一个实施例中，逻辑电路108或控制电路120可控制接地共享开关201。例如，逻辑电路108或控制电路120可产生控制接地共享开关201的断开及闭合的开关时序信号。图3是说明根据本发明的一个实施例的示范性开关时序信号的时序图。如图3中展示，当ADC电路220正在采样时可将开关时序信号设置为‘1’以表明接地共享开关201的闭合，且当ADC电路220未采样时可将开关时序信号设置为‘0’以表明接地共享开关201的断开。在管线架构中，在一个图像传感器100中可同时发生两个或两个以上工作流程。因此，当将像素的第一行(例如，当前行)复位、传递、采样等时，由ADC电路220转换像素的第二行(例如，先前行)。在此实例中，第一行是在像素阵列中的第二行后面。因此，当ADC电路220正在采样像素阵列105中的像素的当前行同时ADC电路220正在转换像素阵列105中的像素的先前行时，接地共享开关201闭合以将像素阵列105及ADC电路220耦合到共同接地。
因此，使用接地共享开关201降低了由于像素阵列105及ADC电路220共享同一模拟接地(例如，共同接地)所引起的像素作用对ADC电路220的电干扰。在一个实施例中，共同接地包含在印刷电路板(PCB)上。
在一个实施例中，ADC电路220包含数/模转换(DAC)电路及逐次逼近寄存器(SAR)。DAC电路可为电容器实施的DAC或可使用电阻器或电阻器与电容器的混合物来实施。在此实施例中，在DAC电路上对照存储在SAR中的ADC消隐脉冲电平采样来自所述行的图像数据以获得经采样输入数据。ADC电路220接着通过使用DAC电路及SAR(未展示)执行二分搜索将经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出值。在经采样输入数据的每次转换之前可将SAR复位。通过ADC电路220从正被处理的给定行采样图像数据获得经采样输入数据。
在另一实施例中，ADC电路220包含比较器及ADC计数器(未展示)。在此实施例中，将经采样输入数据从模拟转换到数字的ADC电路220包含比较器(例如比较经采样输入数据与斜波信号以产生比较器输出信号的全微分运算比较器)及基于比较器输出信号而计数以产生ADC输出的ADC计数器。在一个实施例中，在包含于读出电路110或逻辑电路108中的斜波发生器中产生斜波信号。在一个实施例中，逻辑电路108包含锁相回路(PLL)以产生传输到斜波发生器的ADC时钟信号。在此实施例中，斜波发生器产生同步到ADC时钟信号的斜波信号。
SAR结合DAC电路执行二分搜索，且逐次将DAC电路的数据输出线中的每一位从最高有效位(MSB)设置到最低有效位(LSB)。在一个实施例中，比较器确定DAC电路的数据输出线中的位是否应保持设置或复位。当转换结束时，SAR保存经采样输入数据(例如，ADC输出)的转换。在一些实施例中，功能逻辑115接收并处理来自ADC电路220的ADC输出以产生最终ADC输出。
此外，本发明的以下实施例可被描述为过程，所述过程通常被描绘为流程图、流向图、结构图或方框图。虽然流程图可将操作描述为循序过程，但是可并行或同时执行许多操作。此外，可重新布置操作次序。当其操作完成时过程终止。过程可对应于方法、程序等等。
图4是说明根据本发明的一个实施例的用于在具有管线架构的图像传感器100中实施动态接地共享的方法400的流程图。方法400开始于像素阵列105捕获图像数据。像素阵列105包含分别用于产生像素数据信号的像素(方框401)。在一些实施例中，像素阵列105捕获图像数据包含将像素阵列105的行中的多个像素复位、对像素阵列105的行中的多个像素预充电及将来自像素阵列105的像素数据信号传递到读出电路110。
在方框402处，读出电路110从像素阵列105中的行获取图像数据。在一个实施例中，读出电路110通过选择并放大来自所述行的图像数据且将来自所述行的图像数据传输到ADC电路220来从所述行获取图像数据。
在方框403处，包含在读出电路110中的ADC电路220采样来自所述行的图像数据以获得经采样输入数据。在一个实施例中，当ADC电路220正在采样时接地共享开关201闭合而将像素阵列105及ADC电路220耦合到共同接地，且当ADC电路220未采样时接地共享开关201断开而将像素阵列105及ADC电路220与共同接地分离。在一个实施例中，共同接地包含在印刷电路板(PCB)上。在此实施例中，PCB可包含在图像传感器100中。在一个实施例中，逻辑电路108或控制电路230中的至少一者通过产生并传输开关时序信号而控制接地共享开关201。在方框404处，ADC电路220将经采样图像数据从模拟转换到数字以获得ADC输出。在一些实施例中，功能逻辑115接收并处理来自ADC电路220的ADC输出以产生最终ADC输出。
在一个实施例中，通过ADC电路220采样来自所述行的图像数据以获得经采样输入数据包含在包含于ADC电路220中的DAC电路上对照存储在SAR中的ADC消隐脉冲电平采样来自所述行的图像数据以获得经采样输入数据。在此实施例中，通过ADC电路220将经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出值包含使用DAC电路及SAR执行二分搜索。
在另一实施例中，通过ADC电路220将经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出值包含由包含于ADC电路220中的比较器比较经采样输入数据与斜波信号以产生比较器输出信号，且由ADC计数器基于比较器输出信号进行计数以产生ADC输出。
依据计算机软件及硬件描述上文阐释的过程。所描述的技术可构成在机器(例如，计算机)可读存储媒体内体现的机器可执行指令，所述机器可执行指令当由机器执行时将致使机器执行所描述的操作。另外，过程可在硬件(例如专用集成电路(“ASIC”)等)内体现。
本发明所说明的实例的以上描述(包含说明书摘要中所描述的内容)不希望为详尽的或被限于所揭示的精确形式。虽然出于说明的目的，本文中描述本发明的特定实施例及实例，但在不背离本发明的更广泛精神及范围的情况下，多种等效修改为可能的。
鉴于以上详细描述，可对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应解释为将本发明限于说明书及权利要求书中揭示的特定实施例。实情是，所述范围将完全由所附权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的公认原则来解释。因此，本说明书及诸图应认为是说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种在具有管线架构的图像传感器中实施动态接地共享的方法，其包括：
由像素阵列捕获图像数据，其中所述像素阵列包含分别用于产生像素数据信号的多个像素；
由读出电路从所述像素阵列中的行获取所述图像数据；
由包含在所述读出电路中的模/数转换ADC电路采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据，其中
当所述ADC电路正在采样时，接地共享开关闭合以将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地，及
当所述ADC电路未采样时，所述接地共享开关断开以将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离；及
由所述ADC电路将所述经采样图像数据从模拟转换到数字以获得ADC输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述共同接地包含在印刷电路板PCB上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述像素阵列捕获所述图像数据时或当所述ADC电路转换所述经采样图像数据时，所述接地共享开关断开。
4.根据权利要求1所述的方法，其中由所述像素阵列捕获所述图像数据包含将所述多个像素复位、对所述多个像素预充电及将所述像素数据信号传递到所述读出电路。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
由逻辑电路或控制电路中的至少一者控制所述接地共享开关。
6.根据权利要求1所述的方法，其中由所述读出电路从所述行获取所述图像数据进一步包括：
由包含在所述读出电路中的扫描电路选择及放大来自所述行的所述图像数据；及
将来自所述行的所述图像数据传输到所述ADC电路。
7.根据权利要求1所述的方法，其中由所述ADC电路采样来自所述行的所述图像数据以获得所述经采样输入数据进一步包括：
在包含于所述ADC电路中的数/模转换DAC电路上对照存储在逐次逼近寄存器SAR中的ADC消隐脉冲电平采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其中由所述ADC电路将所述经采样输入数据从模拟转换到数字以获得所述ADC输出值包含：
使用所述DAC电路及所述SAR执行二分搜索。
9.根据权利要求1所述的方法，其中由所述ADC电路将所述经采样输入数据从模拟转换到数字以获得所述ADC输出值包含：
由包含在所述ADC电路中的比较器比较所述经采样输入数据与斜波信号以产生比较器输出信号，及
由ADC计数器基于所述比较器输出信号进行计数以产生ADC输出。
10.一种实施动态接地共享的具有管线架构的图像传感器，其包括：
像素阵列，其用于捕获帧的图像数据，其中所述像素阵列包含分别用于产生像素数据信号的多个像素；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的行获取所述图像数据，其中所述读出电路包含：
模/数转换ADC电路，其用于采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据并将所述经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出；
接地共享开关，其将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地或将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离，其中所述接地共享开关经动态地控制以(i)当所述ADC电路正在采样时闭合而将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地，(ii)当所述ADC电路未采样时断开而将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其进一步包括：
控制电路，其用于控制所述像素阵列的操作特性；及
逻辑电路，其用于控制所述读出电路，
其中所述逻辑电路或控制电路中的至少一者动态地控制所述接地共享开关。
12.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述共同接地包含在印刷电路板PCB上。
13.根据权利要求10所述的图像传感器，其中当所述像素阵列捕获所述图像数据时或当所述ADC电路转换所述经采样图像数据时，所述接地共享开关断开。
14.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述像素阵列捕获所述图像数据包含将所述多个像素复位、对所述多个像素预充电及传递所述像素数据信号。
15.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述读出电路进一步包括：
扫描电路，其用于选择及放大来自所述行的所述图像数据并将来自所述行的所述图像数据传输到所述ADC电路。
16.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述ADC电路进一步包括：
数/模转换DAC电路及逐次逼近寄存器SAR，其中在数/模转换DAC电路上对照存储在所述SAR中的ADC消隐脉冲电平采样来自所述行的所述图像数据以获得所述经采样输入数据。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中所述ADC电路将所述经采样输入数据从模拟转换到数字包含：
使用所述DAC电路及所述SAR执行二分搜索。
18.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述ADC电路进一步包括：
比较器，其用于比较所述经采样输入数据与斜波信号以产生比较器输出信号，及
ADC计数器，其用于基于所述比较器输出信号而计数以产生ADC输出。
19.一种实施动态接地共享的具有管线架构的图像传感器，其包括：
像素阵列，其用于捕获帧的图像数据，其中所述像素阵列包含分别用于产生像素数据信号的多个像素；及
读出电路，其耦合到所述像素阵列以从所述像素阵列中的行获取所述图像数据，其中所述读出电路包含：
模/数转换ADC电路，其用于采样来自所述行的所述图像数据以获得经采样输入数据并将所述经采样输入数据从模拟转换到数字以获得ADC输出；
接地共享开关，其将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地或将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离，其中所述接地共享开关经动态地控制以(i)当所述ADC电路正在采样时闭合而将所述像素阵列及所述ADC电路耦合到共同接地，(ii)当所述ADC电路未采样时断开而将所述像素阵列及所述ADC电路与所述共同接地分离；及
控制电路，其用于控制所述像素阵列的操作特性；及
逻辑电路，其用于控制所述读出电路，其中所述逻辑电路或控制电路中的至少一者动态地控制所述接地共享开关。
20.根据权利要求19所述的图像传感器，其中具有管线架构的所述图像传感器包含第一及第二同时工作流程，其中所述第一工作流程包含所述像素阵列捕获所述像素阵列中的当前行的图像数据，其包含将所述多个像素复位、对所述多个像素预充电及传递所述当前行的所述像素数据信号，且所述第二工作流程包含所述ADC电路转换所述像素阵列中的先前行的经采样输入数据。
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