CN108337460A - 图像传感器的读出电路 - Google Patents

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Abstract

一种图像传感器的读出电路，包括：可编程增益放大器，适于根据增益因子对位线输出电压进行放大，所述位线输出电压包括位线复位电压和位线信号电压；比较器，适于对放大后的位线输出电压与参考电压进行比较，并输出比较结果；还包括：增益选择模块，适于根据比较器输出的比较结果，设置所述可编程增益放大器的增益因子；所述增益因子包括第一增益因子和第二增益因子，第二增益因子大于第一增益因子。通过在现有的读出电路中增加增益选择模块，在保证芯片低照度性能和最优噪声性能的情况下，扩大了输入信号的信号摆幅，从而扩展了CMOS图像传感器的动态范围。

Description

图像传感器的读出电路
技术领域
本发明涉及图像传感器领域，具体涉及一种图像传感器的读出电路。
背景技术
图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，主要用于数码相机和工业、媒体、医疗、消费电子中应用的大量成像设备。随着照相机、摄像机、多媒体手机需求的日益增长，图像传感器市场正在快速增长。其中，读出电路是图像传感器的重要组成部分。CMOS集成电路由于其低功耗、低工作电压和集成度高等特点，逐渐成为读出电路的主流工艺。
图像传感器所产生的的图像质量，取决于图像信号的信号噪声比。信号强度取决于光强、曝光时间、光电转化效率等，而噪声主要有两种类型：固型噪声和随机噪声。而对于图像处理来说，能获取有效图像信息需要的信噪比存在一个最低值，如果信噪比低于此，将无法获取图像信息，因此，芯片所能达到的噪声指标决定了传感器的最低照度。此外，图像传感器还存在一个在同一帧画面上所能达到的最高亮度的上限。在同一帧画面中，最高的亮度信号水平与噪声水平的比值被定义为动态范围。因此，动态范围不仅要求传感器的噪声水平低，更需要能接受较大的信号摆幅。
为了获得较好的噪声性能，一般采用PGA(Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器)+SS(Single Slope)型ADC(Analog to Digital Converter，单斜率模数转换器)的读出架构，此读出架构的优势在于采用了PGA，在获得可变增益的同时，获得了抗衬底噪声的能力。然而，当PGA工作于最大增益的状态时，读出电路所能接收的信号摆幅的最大值就会受到很大的限制。当PGA工作于最小增益下时，信号摆幅的最大值可以最大化。由于最大增益状态是噪声性能最好的状态，因此，芯片的最优噪声性能和最大的信号摆幅间存在着矛盾。
因此，需要一种读出电路，在保证芯片最优噪声性能的同时，能接受较大的信号摆幅，从而提高传感器的动态范围。
发明内容
本发明解决的问题是需要一种读出电路，在保证芯片最优噪声性能的同时，能接受较大的信号摆幅，从而提高传感器的动态范围。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种图像传感器的读出电路，包括：可编程增益放大器，适于根据增益因子对位线输出电压进行放大，所述位线输出电压包括位线复位电压和位线信号电压；比较器，适于对放大后的位线输出电压与参考电压进行比较，并输出比较结果；还包括：增益选择模块，适于根据比较器输出的比较结果，设置所述可编程增益放大器的增益因子；所述增益因子包括第一增益因子和第二增益因子，第二增益因子大于第一增益因子。
可选地，所述读出电路还包括：计数器，适于根据比较器输出的比较结果进行计数，若参考电压不大于可编程增益放大器输出的电压，计数器计数；若参考电压大于可编程增益放大器输出的电压，计数器停止计数；其中，参考电压包括复位斜坡电压和信号斜坡电压。
可选地，所述读出电路还包括：在所述位线输出电压为位线复位电压时，所述增益选择模块设置所述可编程增益放大器的增益分别为第一增益因子和第二增益因子，所述计数器基于所述第一增益因子和第二增益因子分别获得位线复位电压的第一量化结果和第二量化结果。
可选地，所述参考电压包括增益判断电压，所述增益判断电压接近且小于所述信号斜坡电压的满幅值；在所述位线输出电压为位线信号电压时，所述比较器对采用第二增益因子放大后的位线信号电压与增益判断电压进行比较，并输出比较结果；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压不大于增益判断电压，所述增益选择模块保持所述可编程增益放大器的增益因子为第二增益因子；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压大于增益判断电压，所述增益选择模块改变所述可编程增益放大器的增益因子为第一增益因子。
可选地，所述读出电路还包括：在所述位线输出电压为位线信号电压时，所述可编程增益量化器采用所述增益选择模块选定的第一增益因子或第二增益因子对位线信号电压进行放大，所述计数器基于选定的增益因子获得位线信号电压的信号量化结果。
可选地，所述计数器包括多级D触发器，在所述位线输出电压为位线复位电压时，适于输出第一量化结果或第二量化结果，其中，每级D触发器均对应一个刷新单元，所述刷新单元适于存储第一量化结果，并在所述位线输出电压为位线信号电压时，若增益标志位为低电平，控制D触发器输出第一量化结果，若增益标志位为高电平，控制D触发器输出第二量化结果。
可选地，所述刷新单元包括：量化结果锁存器，其第一输入端和第二输入端分别接收D触发器的输出信号和锁存复位信号，其输出端分别与非门的输入端和第二与非门的第二输入端耦接；或门，其第一输入端和第二输入端分别接收增益标志位的反相信号和增益选择脉冲信号，输出端分别与第一与非门的第二输入端和第二与非门的第一输入端耦接；非门，其输出端与第一与非门输入端的第一输入端耦接；第一与非门，其输出端与D触发器的置位端耦接；第二与非门，其输出端与D触发器的复位端耦接。
可选地，所述增益选择模块包括：增益标志位锁存器，适于锁存所述比较器输出的采用第二增益因子放大后的位线信号电压与增益判断电压的比较结果；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压低于增益判断电压，增益标志位被设置为高电平；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压大于增益判断电压，增益标志位被设置为低电平；增益选择逻辑单元，在所述读出电路采用第一增益因子对位线复位电压进行量化后，若增益标志位为低电平，设置所述可编程增益放大器的增益因子为第一增益因子；若增益标志位为高电平，设置所述可编程增益放大器的增益因子为第二增益因子。
可选地，所述增益选择逻辑单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一输入端、第二输入端和增益因子输出端；所述第一开关和第二开关受增益标志位控制，当增益标志位为低电平时，第一开关闭合，第二开关断开；当增益标志位为高电平时，第一开关断开，第二开关闭合；所述第三开关和第四开关受增益选择使能信号控制，当增益选择使能信号为低电平时，第三开关闭合，第四开关断开；当增益选择使能信号为高电平时，第三开关断开，第四开关闭合；所述第一输入端和第二输入端适于分别接受第一增益因子的配置信息和第二增益因子的配置信息；所述增益因子输出端适于输出第一增益因子的配置信息或第二增益因子的配置信息；所述第一开关的第一端与第一输入端耦接，第二端与第四开关的第一端耦接；所述第二开关的第一端与第二输入端耦接，第二端第四开关的第一端耦接；所述第三开关的第一端与第一输入端耦接，第二端与增益因子输出端耦接；所述第四开关的第二端与增益因子输出端耦接。
可选地，所述可编程增益放大器还包括可变电容，所述可变电容的电容值受所述增益因子输出端输出的配置信息控制。
可选地，所述读出电路还包括：校准模块，所述校准模块包括：参数获取子模块，适于在校准电压为固定电平时，获取第一偏移量、第二偏移量，并在校准电压的电压差对应于增益判断电压时，根据第一偏移量、第二偏移量获得归一化增益系数；校准子模块，适于根据第一偏移量、第二偏移量和归一化增益系数对所述读出电路输出的量化结果进行校准。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：
通过在现有的读出电路中增加增益选择模块，并在增益选择脉冲信号为高电平时，进入增益判断模式，根据比较器输出的比较结果，设置所述读出电路的增益因子，当亮度较低时选择数值较大的第二增益因子，亮度较高时选择第一增益因子，在保证芯片低照度性能和最优噪声性能的情况下，扩大了输入信号的信号摆幅，从而扩展了CMOS图像传感器的动态范围。
附图说明
图1是现有技术中的一种读出电路的结构示意图；
图2是现有技术中的一种读出电路的时序示意图；
图3是本发明的一个实施例的读出电路的结构示意图；
图4是图3示出的增益选择逻辑单元的结构示意图；
图5是图3示出的计数器模块的部分结构示意图；
图6是本发明的一个实施例的读出电路的时序示意图；以及
图7是图3示出的校准模块的结构示意框图。
具体实施方式
为了便于说明和理解，图1示出了现有技术中的一种读出电路的结构示意图，图1所示的读出电路采用了PGA+SS-ADC的读出架构，所述读出电路包括可编程增益放大器11，比较器12，计数器13，所述可编程增益放大器11适于对位线输出电压Vbl1进行放大，所述位线输出电压Vbl1包括位线复位电压和位线信号电压，其中，所述可编程增益放大器11的反相输入端接收位线输出电压Vbl1，其同相输入端接收共模电压Vcm1。此外，所述可编程增益放大器11中的可变电容Cs1、可变电容Cf1以及寄生电容Cp1共同构成了可编程增益放大器11的反馈网络。此外，所述可编程增益放大器11的反馈网络还包括开关S11和开关S12，用于改变其工作状态，所述工作状态包括采样状态和量化状态。
比较器12，适于对放大后的位线输出电压Vbl1与参考电压Vr1进行比较，并输出比较结果，所述参考电压Vr1包括复位斜坡电压和信号斜坡电压。所述比较器12还包括开关S13，用于改变其工作状态，所述工作状态包括采样状态和量化状态。
计数器13，适于根据比较器12输出的比较结果进行计数，若参考电压Vr1不大于可编程增益放大器11输出的电压，计数器13计数，若参考电压Vr1大于可编程增益放大器11输出的电压，计数器13停止计数，其中，参考电压Vr1包括复位斜坡电压和信号斜坡电压。
此外，图1所示的读出电路还包括MOS管M1，用作读出电路内的源极跟随器(未示出)的电流源，其中，MOS管M1的栅极接收偏置电压Vb1。所述读出电路还包括电容C1，所述电容C1为交流耦合电容，其第一极板连接可编程增益放大器11的输出端，第二极板连接比较器12的反相输入端，用于隔开所述可编程增益放大器11和所述比较器12，使得在开关S13闭合时，所述比较器12的反相输入端与输出端相连接，进入单位增益负反馈的状态。
参考图2，图2是现有技术中的一种读出电路的时序示意图。当位线输出电压Vbl1为位线复位电压时，所述读出电路对位线复位电压进行采样和量化。具体地，所述可编程增益放大器11在开关S11闭合，开关S12断开时进入采样状态(即S11/S12b为高)，对位线复位电压进行采样；所述比较器12在开关13闭合时进入采样状态，对位线复位电压进行采样。
当所述可编程增益放大器11在开关S11断开，开关S12闭合，所述比较器12在开关S13断开时，所述读出电路进入量化状态。具体地，当计数器使能信号counter_enable1为高电平时，若位线输出电压Vbl1为位线复位电压，对应所述参考电压Vr1为复位斜坡电压，若位线输出电压Vbl1为位线信号电压，对应所述参考电压Vr1为信号斜坡电压，且具体的量化过程为，所述参考电压Vr1开始从下基准往上基准线性变化(理想情况下是一条直线)。当参考电压Vr1小于可编程增益放大器11的输出电压时，比较器12不反转，计数器13正常计数；当参考电压Vr1大于可编程增益放大器11的输出电压时，比较器12反转，计数器13停止计数。因此，可编程增益放大器11的输出电压越高，计数器13计数的时间越长，最终的数值越大。参考电压Vr1的下基准到上基准的电压差即为量化空间。由于可编程增益放大器11和比较器12均做了定基准处理，因此无论是位线复位电压还是位线信号电压都不会低于参考电压Vr1的下基准。而当可编程增益放大器11的输出电压高于参考电压Vr1的下基准时，就超出了读出电路的量化范围，读出电路的动态范围就达到了极限。
当可编程增益放大器11的增益越大时，读出电路的噪声性能最好，最大增益状态是噪声性能最好的状态。然而，当可编程增益放大器11工作于最大增益的状态下，所能接收的最大的信号摆幅就收到了很大的限制；当可编程增益放大器11工作于最小增益的状态下，信号摆幅可以最大化。因此，对于现有技术中的读出电路，最好的噪声性能与最大信号摆幅之间就存在着矛盾。因此，现有技术中的读出电路的动态范围有待提高。
本发明实施例提供了一种读出电路，在保证最优噪声性能的同时，扩大信号摆幅，从而提高动态范围。
参考图3，图3是本发明的一个实施例的读出电路的结构示意图。所述读出电路包括可编程增益放大器21和比较器22。
在一些实施例中，所述可编程增益放大器21适于根据增益因子对位线输出电压Vbl2进行放大，所述位线输出电压包括位线复位电压和位线信号电压。在具体实施中，所述可编程增益放大器21的反相输入端接收位线输出电压Vbl2，其同相输入端接收共模电压Vcm2。此外，所述可编程增益放大器21还包括可变电容Cs2、可变电容Cf2以及寄生电容Cp2，三者共同构成了可编程增益放大器21的反馈网络。此外，所述可编程增益放大器21的反馈网络还包括开关S21和开关S22，用于改变其工作状态，所述工作状态包括采样状态和量化状态。
所述比较器22适于对放大后的位线输出电压Vbl2与参考电压Vr2进行比较，并输出比较结果。在具体实施中，所述比较器22的反相输入端接收放大后的位线输出电压Vbl2，同相输入端接收参考电压Vr2，所述参考电压Vr2包括复位斜坡电压和信号斜坡电压。所述比较器22还包括开关S23，用于改变其工作状态，所述工作状态包括采样状态和量化状态。
在一些实施例中，所述读出电路还可以包括增益选择模块25，适于根据比较器输出的比较结果，设置所述可编程增益放大器21的增益因子，所述增益因子包括第一增益因子和第二增益因子，第二增益因子大于第一增益因子。
在一些实施例中，所述读出电路在位线输出电压Vbl2为位线复位电压时，所述增益选择模块25设置所述可编程增益放大器21的增益分别为第一增益因子和第二增益因子，所述计数器23基于所述第一增益因子和第二增益因子分别获得位线复位电压的第一量化结果和第二量化结果。
在具体实施中，所述参考电压Vr2还可以包括增益判断电压，所述增益判断电压接近且小于所述信号斜坡电压的满幅值；在所述位线输出电压Vbl2为位线信号电压时，所述比较器22对采用第二增益因子放大后的位线信号电压与增益判断电压进行比较，并输出比较结果。
具体地，所述增益选择模块25可以包括：增益标志位锁存器251和增益逻辑选择单元252。所述增益标志位锁存器251适于锁存所述比较器12输出的采用第二增益因子放大后的位线信号电压与增益判断电压的比较结果。在一些实施例中，若采用第二增益因子放大后的位线信号电压低于增益判断电压，增益标志位被设置为高电平；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压大于增益判断电压，增益标志位被设置为低电平。
所述增益选择逻辑单元252，在所述读出电路采用第一增益因子对位线信号电压进行量化后，若增益标志位为低电平，设置所述可编程增益放大器21的增益因子为第一增益因子；若增益标志位为高电平，设置所述可编程增益放大器21的增益因子为第二增益因子。
参考图4，图4是图3示出的增益选择逻辑单元252的结构示意图。
具体地，所述增益选择逻辑单元252可以包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第一输入端31、第二输入端32和增益因子输出端33。其中所述第一开关S1和第二开关S2受增益标志位(gain_flag)控制，当增益标志位为低电平时，第一开关S1闭合，第二开关S2断开；当增益标志位为高电平时，第一开关S1断开，第二开关S2闭合。
所述第三开关S3和第四开关S4受增益选择使能信号gain_sel_en控制，当增益选择使能信号gain_sel_en为低电平时，第三开关S3闭合，第四开关S4断开；当增益选择使能信号gain_sel_en为高电平时，第三开关S3断开，第四开关S4闭合，其中，所述增益选择使能信号gain_sel_en在所述读出电路采用第一增益因子对位线复位电压进行量化后由低电平跳变为高电平。
所述第一输入端31和第二输入端32适于分别接受第一增益因子的配置信息和第二增益因子的配置信息；所述增益因子输出端33适于输出第一增益因子的配置信息或第二增益因子的配置信息。
在具体实施中，所述第一开关S1的第一端与第一输入端31耦接，第二端与第四开关S4的第一端耦接；所述第二开关S2的第一端与第二输入端32耦接，第二端第四开关S4的第一端耦接；所述第三开关S3的第一端与第一输入端31耦接，第二端与增益因子输出端33耦接；所述第四开关的第二端与增益因子输出端33耦接。
继续参考图3，在具体实施中，所述读出电路通过增益选择模块25通过输出第一增益因子的配置信息或第二增益因子的配置信息，以调整所述可编程增益放大器21中的可变电容Cs2及可变电容Cf2的电容值，从而设置所述可编程增益放大器21的增益因子。
在一些实施例中，所述读出电路还可以包括计数器23，所述计数器23适于根据比较器22输出的比较结果进行计数，若参考电压Vr2不大于可编程增益放大器21输出的电压，计数器23计数，若参考电压Vr2大于可编程增益放大器21输出的电压，计数器23停止计数，其中，参考电压Vr2包括复位斜坡电压和信号斜坡电压。
参考图5，图5是图3示出的计数器模块的部分结构示意图。
在一些实施例中，所述计数器23包括多级D触发器41，在所述位线输出电压Vbl2为位线复位电压时，适于输出第一量化结果或第二量化结果。其中，每级D触发器41均对应一个刷新单元42，所述刷新单元42适于储存第一量化结果，并在所述位线输出电压为位线信号电压时，若增益标志位为低电平，控制D触发器41输出第一量化结果，若增益标志位为高电平，控制D触发器41输出第二量化结果。
继续参考图5，在一些实施例中，所述刷新单元42包括：量化结果锁存器421，其第一输入端和第二输入端分别接收D触发器41的输出信号和锁存复位信号，输出端分别与非门423的输入端和第二与非门425的第二输入端耦接；以及或门422，其第一输入端和第二输入端分别接收增益标志位的反相信号和增益选择脉冲信号，输出端分别与第一与非门424的第二输入端和第二与非门425的第一输入端耦接。
所述刷新单元42还包括：非门423，其输出端与第一与非门424的第一输入端耦接；第一与非门424，其输出端与D触发器的置位端set耦接；以及第二与非门425，其输出端与D触发器的复位端reset耦接。
参考图3和图7，图7是图3示出的校准模块的结构示意框图。所述读出电路还包括：校准模块26，所述校准模块26包括：参数获取子模块261和校准子模块262。所述参数获取子模块261，用于在校准电压为固定电平时，获取第一偏移量、第二偏移量，并在校准电压的电压差对应于增益判断电压时，根据第一偏移量、第二偏移量获得归一化增益系数；以及校准子模块262，用于根据第一偏移量、第二偏移量和归一化增益系数对所述读出电路输出的量化结果进行校准。
在所述读出电路读出的同一帧画面中，较暗处的像素使用了较大的第二增益因子进行量化，而较亮处的像素使用了较小的第一增益因子进行量化，而对于图像传感器，需要保证输出信号的单调性，同一帧画面中所有像素到输出的总增益应该保持一致。因此，需要对使用不同增益因子量化出的信号进行校准处理，即对采用第一增益因子量化的输出信号补乘归一化增益系数。
此外，由于所述可编程增益放大器21和比较器22非理想，位线输出电压Vr2经所述读出电路量化后可能存在一定偏移量(offset)。因此，需要计算出所述读出电路在使用第一增益因子进行量化时所产生的第一偏移量以及使用第二增益因子进行量化时所产生的的第二偏移量，并对所述经读出电路量化出的信号进行校准，以消除输出信号中偏移量。
在一些实施例中，采用第一增益因子和第二增益因子进行量化的输出信号可以表示为以下公式：
Ys＝Q[Sin]·As+Bs
Yb＝Q[Sin]·Ab+Bb
其中，Ys、Yb分别表示采用第一增益因子或第二增益因子量化后的输出信号，Sin为输入信号间的电压差，Q[Sin]为理想读出电路量化出的信号大小。As与Ab为第一增益因子和第二增益因子。Bs和Bb代表使用两种增益因子出现的偏移量，分别为第一偏移量和第二偏移量。
所述参数获取子模块261获取第一偏移量、第二偏移量和归一化增益系数的步骤在所述读出电路上电时进行一次，后续电路正常工作后不需要重复。在所述参数获取子模块261工作之前，所述可编程增益放大器21的反相输入端断开接收位线输出电压Vbl2，改为接收校准跟随电压，所述校准跟随电压由校准管M21的源极输出，跟随校准电压Vt的变化而变化。所述校准管处于饱和区，其漏极接收外接电压，栅极接收校准电压Vt。
在一些实施例中，所述参数获取子模块261获取归一化增益系数的过程为：1)保持校准电压Vt为固定电平，从而使得Sin为0。2)分别使用第一增益因子和第二增益因子进行量化，在分别进行M行量化后，获得两组M行数据Ys0与Yb0。3)将获得的两组M行数据Ys0与Yb0进行平均从而获得与即为第一偏移量Bs和第二偏移量Bb，具体过程即为以下公式。
在一些实施例中，所述参数获取子模块261获取第一偏移量和第二偏移量的过程为：1)设定校准电压Vt在两次量化时的电压差对应于增益判断电压，即使所述电压差的值为所述增益判断电压除以第二增益因子的商；2)分别使用第一增益因子和第二增益因子进行量化，在分别进行M行量化后，获得两组M行数据并进行平均从而获得与3)由于与中均包含偏移量，因此通过以下公式对与进行去偏移量操作。
4)通过以下公式获取归一化增益系数K。
在所述读出电路进行像素读出之前，参数获取子模块261需获取第一偏移量Bs、第二偏移量Bb和归一化数字增益K。因此，在所述读出电路开始进行像素读出后，所述校准子模块262根据以下公式对量化后的数据进行校准。
Dout1＝(Yout1-Bs)·K
Dout2＝Yout2-Bb
其中，Yout1是所述读出电路采用第一增益因子量化后的输出结果，Yout2是所述读出电路采用第二增益因子量化后的输出结果。Dout1和Dout2分别表示Yout1和Yout2经校准子模块262校准后的最终输出结果。
通过所述校准模块26的校准，所述读出电路可以保证输出信号的单调性，使同一帧画面中所有像素到输出的总增益保持一致，并尽可能地减小误差。
在一些实施例中，此外，图3所示的读出电路还包括MOS管M22，用作读出电路内的源极跟随器(未示出)的电流源，其中，MOS管M22的栅极接收偏置电压Vb2。所述读出电路还包括电容C2，所述电容C2也为交流耦合电容，功能与电容C1相同，在此不再赘述。
参考图6，图6是本发明的一个实施例的读出电路的时序示意图。
当位线输出电压Vbl2为位线复位电压时，所述读出电路对位线复位电压进行采样和量化。具体地，所述可编程增益放大器21在开关S21闭合，开关S22断开时进入采样状态，对位线复位电压进行采样；所述比较器22在开关23闭合时进入采样状态，对位线复位电压进行采样。
当所述可编程增益放大器21在开关S21断开，开关S22闭合，所述比较器22在开关S23断开时，所述读出电路进入量化状态。
当所述位线输出电压Vbl2为位线复位电压且计数器使能信号counter_enable2为高电平时，所述读出电路分别采用第一增益因子和第二增益因子先后对位线复位电压进行量化。具体地，可编程增益放大器21先采用第一增益因子对位线信号电压进行放大，此时，所述参考电压Vr2为信号斜坡电压，并开始从下基准往上基准线性变化。当参考电压Vr2小于可编程增益放大器21的输出电压时，比较器22不反转，计数器23正常计数；当参考电压Vr2大于可编程增益放大器21的输出电压时，比较器22反转，计数器23停止计数。
所述读出电路采用第一增益因子对位线复位电压进行量化后，当计数器使能信号counter_enable2再次为高电平时，采用第二增益因子对位线复位电压进行量化，具体过程如上所述，在此不再赘述，计数器23基于所述第一增益因子和第二增益因子分别获得位线复位电压的第一量化结果和第二量化结果。
值得注意的是，增益使能信号gain_sel_en在所述读出电路采用第一增益因子对位线复位电压进行量化后，由低电平跳变为高电平。当增益使能信号gain_sel_en为低电平时，所述可编程增益放大器21采用第一增益因子，当增益使能信号gain_sel_en为高电平时，所述可编程增益放大器21初始状态为采用第二增益因子。而后根据位线信号电压的大小，切换采用第一增益因子或保持采用第二增益因子。
所述读出电路完成对位线复位电压的量化后，当增益选择脉冲信号gain_sel_pulse跳变为高电平后，所述读出电路进入增益判断模式，此时，位线输出电压Vbl2为位线信号电压。
在一些实施例中，所述增益判断的过程包括：可编程增益放大器21采用第二增益因子放大位线信号电压，所述比较器22的反相输入端接收放大后的位线信号电压，其同相输入端接收参考电压Vr2，此时参考电压Vr2为增益判断电压，所述增益判断电压接近且小于所述信号斜坡电压的满幅值。
比较器22对采用第二增益因子放大后的位线信号电压与增益判断电压进行比较，若用第二增益因子放大后的位线信号电压不大于增益判断电压，比较器22不反转，增益标志位被设置为高电平；若用第二增益因子放大后的位线信号电压大于增益判断电压，比较器22反转，增益标志位被设置为低电平。
所述增益标志位锁存器251锁存比较器22的输出结果，所述增益逻辑选择单元252根据增益标志位锁存器251的锁存结果保持或切换可编程增益放大器21所采用的增益因子。具体地，若增益标志位为高电平，所述可编程增益放大器21保持采用第二增益因子，若增益标志位为低电平，所述可编程增益放大器21切换为采用第一增益因子。
在一些实施例中，在增益选择完成后，所述读出电路在计数器使能信号counter_enable2为高电平时，对位线信号电压进行量化，输出位线信号电压的信号量化结果。
对于计数器23，在所述读出电路完成对位线复位电压的第一次量化后，当量化结果锁存信号1tc_rst跳变为高电平时，位线复位电压的第一量化结果被储存在刷新单元42中的量化结果锁存器421内。在所述读出电路完成增益判断后，当计数器刷新信号counter_refresh跳变为高电平时，若增益标志位为高电平，则计数器23中的D触发器41保持不变，输出位线复位电压第二量化结果；若增益标志位为低电平，则刷新单元42根据量化结果锁存器421内存储的结果，将D触发器41置位或复位输出位线复位电压的第一量化结果。
所述读出电路获得不同像素在不同增益下的量化结果后，通过校准模块26对量化结果进行校准，并输出校准后的最终结果，具体步骤如上所述，在此不再赘述。
值得注意的是，为了保证读出电路的噪声性能，必须保证读出电路的读出符合真正的双采样(True CDS)，因此就必须保证两次量化时电路的工作状态完全一致。如果电路的状态发生改变，那么就不能称之为True CDS，这样会降低电路的噪声性能。
然而，本发明实施例所提供的读出电路首先采用第一增益因子量化位线复位电压，然后所述可编程增益放大器21采用第二增益因子再次对位线复位电压进行量化。而后根据位线信号电压的大小选择第一增益因子或第二增益因子对位线信号电压进行量化。所述可编程增益放大器21增益状态的切换会带来噪声。针对采用第一增益因子量化的像素，其信号幅度较大，首先采用了第一增益因子量化位线复位电压，然后切换了可编程增益放大器21的增益状态，虽然最后量化位线信号电压也采用了第一增益因子，可以完全消除偏移量，但是由于过程中可编程增益放大器21的状态发生了变化，这导致噪声变大。因此对于信号较强的采用第一增益因子量化的像素，未做True CDS。
而对于采用第二增益因子量化的像素，当采用第二增益因子量化位线复位电压后，如果判断该像素的位线信号电压较弱，继续保持采用第二增益因子对位线信号电压进行量化。此时，两次量化中，所述可编程增益放大器的状态未发生改变。因此针对信号较弱而采用第二增益因子进行量化的像素，做了True CDS。
在一幅图像中，影响图像质量的是信号较弱时的信噪比，而信号较强时，噪声对信噪比影响较弱。因此，即使在信号较强时，所述读出电路未做TrueCDS，图像的噪声性能受到的影响较小，而在信号较弱时做了True CDS。因此，本发明总体上提升了图像质量。
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 (11)

1.一种图像传感器的读出电路，包括：
可编程增益放大器，适于根据增益因子对位线输出电压进行放大，所述位线输出电压包括位线复位电压和位线信号电压；
比较器，适于对放大后的位线输出电压与参考电压进行比较，并输出比较结果；
其特征在于，还包括：
增益选择模块，适于根据比较器输出的比较结果，设置所述可编程增益放大器的增益因子；
所述增益因子包括第一增益因子和第二增益因子，第二增益因子大于第一增益因子。
2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，还包括：计数器，适于根据比较器输出的比较结果进行计数，若参考电压不大于可编程增益放大器输出的电压，计数器计数；若参考电压大于可编程增益放大器输出的电压，计数器停止计数；其中，参考电压包括复位斜坡电压和信号斜坡电压。
3.根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，还包括：在所述位线输出电压为位线复位电压时，所述增益选择模块设置所述可编程增益放大器的增益分别为第一增益因子和第二增益因子，所述计数器基于所述第一增益因子和第二增益因子分别获得位线复位电压的第一量化结果和第二量化结果。
4.根据权利要求3所述的读出电路，其特征在于，所述参考电压包括增益判断电压，所述增益判断电压接近且小于所述信号斜坡电压的满幅值；在所述位线输出电压为位线信号电压时，所述比较器对采用第二增益因子放大后的位线信号电压与增益判断电压进行比较，并输出比较结果；
若采用第二增益因子放大后的位线信号电压不大于增益判断电压，所述增益选择模块保持所述可编程增益放大器的增益因子为第二增益因子；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压大于增益判断电压，所述增益选择模块改变所述可编程增益放大器的增益因子为第一增益因子。
5.根据权利要求4所述的读出电路，其特征在于，还包括：在所述位线输出电压为位线信号电压时，所述可编程增益量化器采用所述增益选择模块选定的第一增益因子或第二增益因子对位线信号电压进行放大，所述计数器基于选定的增益因子获得位线信号电压的信号量化结果。
6.根据权利要求4所述的读出电路，其特征在于，所述计数器包括多级D触发器，在所述位线输出电压为位线复位电压时，适于输出第一量化结果或第二量化结果，其中，每级D触发器均对应一个刷新单元，所述刷新单元适于存储第一量化结果，并在所述位线输出电压为位线信号电压时，若增益标志位为低电平，控制D触发器输出第一量化结果，若增益标志位为高电平，控制D触发器输出第二量化结果。
7.根据权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述刷新单元包括：
量化结果锁存器，其第一输入端和第二输入端分别接收D触发器的输出信号和锁存复位信号，其输出端分别与非门的输入端和第二与非门的第二输入端耦接；
或门，其第一输入端和第二输入端分别接收增益标志位的反相信号和增益选择脉冲信号，输出端分别与第一与非门的第二输入端和第二与非门的第一输入端耦接；
非门，其输出端与第一与非门输入端的第一输入端耦接；
第一与非门，其输出端与D触发器的置位端耦接；以及
第二与非门，其输出端与D触发器的复位端耦接。
8.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述增益选择模块包括：增益标志位锁存器，适于锁存所述比较器输出的采用第二增益因子放大后的位线信号电压与增益判断电压的比较结果；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压低于增益判断电压，增益标志位被设置为高电平；若采用第二增益因子放大后的位线信号电压大于增益判断电压，增益标志位被设置为低电平；以及
增益选择逻辑单元，在所述读出电路采用第一增益因子对位线复位电压进行量化后，若增益标志位为低电平，设置所述可编程增益放大器的增益因子为第一增益因子；若增益标志位为高电平，设置所述可编程增益放大器的增益因子为第二增益因子。
9.根据权利要求8所述的读出电路，其特征在于，所述增益选择逻辑单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一输入端、第二输入端和增益因子输出端；
所述第一开关和第二开关受增益标志位控制，当增益标志位为低电平时，第一开关闭合，第二开关断开；当增益标志位为高电平时，第一开关断开，第二开关闭合；
所述第三开关和第四开关受增益选择使能信号控制，当增益选择使能信号为低电平时，第三开关闭合，第四开关断开；当增益选择使能信号为高电平时，第三开关断开，第四开关闭合；
所述第一输入端和第二输入端适于分别接受第一增益因子的配置信息和第二增益因子的配置信息；所述增益因子输出端适于输出第一增益因子的配置信息或第二增益因子的配置信息；
所述第一开关的第一端与第一输入端耦接，第二端与第四开关的第一端耦接；所述第二开关的第一端与第二输入端耦接，第二端第四开关的第一端耦接；所述第三开关的第一端与第一输入端耦接，第二端与增益因子输出端耦接；所述第四开关的第二端与增益因子输出端耦接。
10.根据权利要求9所述的读出电路，其特征在于，所述可编程增益放大器还包括可变电容，所述可变电容的电容值受所述增益因子输出端输出的配置信息控制。
11.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，还包括：校准模块，所述校准模块包括：
参数获取子模块，适于在校准电压为固定电平时，获取第一偏移量、第二偏移量，并在校准电压的电压差对应于增益判断电压时，根据第一偏移量、第二偏移量获得归一化增益系数；以及
校准子模块，适于根据第一偏移量、第二偏移量和归一化增益系数对所述读出电路输出的量化结果进行校准。
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