CN110233979B - 图像传感器及其读出电路、像素结构 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器及其读出电路、像素结构。所述读出电路包括：模数转换电路，与所述CMOS图像传感器的像素电路耦接，适于对所述像素电路输出信号进行量化，得到对应的数字信号；转换增益控制电路，与所述像素电路耦接，适于当所述像素电路输出的信号为图像信号时，基于所述像素电路输出信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号，以控制所述像素电路的转换增益。应用上述方案，可以提高图像传感器的动态范围。

Description

图像传感器及其读出电路、像素结构

技术领域

本发明涉及图像传感器领域，特别是涉及一种图像传感器及其读出电路、像素结构。

背景技术

互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）图像传感器是一种将光信号转化为电信号的半导体器件。通常，CMOS图像传感器包含像素阵列，与像素阵列耦接的像素读出电路阵列，以及数字处理电路。其中，像素阵列由若干呈阵列方式分布的像素电路构成，像素读出电路阵列由若干呈阵列方式分布的读出电路构成。

同一列的像素电路由同一位线输出，并与一读出电路耦接。像素阵列将接收到的光信号转换为模拟电信号，读出电路阵列将模拟电信号转换为数字电信号，进而输出至数字处理电路进行后续处理。

CMOS图像传感器所能达到的噪声指标决定了图像传感器的最低亮度，并且，CMOS图像传感器在同一帧画面上所能达到的亮度还存在一个的上限，即存在最高亮度。在同一帧画面中，最高亮度图像信号的电压值与噪声信号的电压值的比值，定义为CMOS图像传感器的动态范围。因此，为了提高CMOS图像传感器的动态范围，不仅要求CMOS图像传感器的噪声信号的电压值低，更需要CMOS图像传感器能接受较大的图像信号摆幅。

然而，CMOS现有图像传感器的动态范围仍较低，无法满足对图像质量的要求。

发明内容

本发明实施例解决的问题是提高图像传感器的动态范围，以满足对图像质量的要求。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种CMOS图像传感器的像素电路，所述像素电路包括：光电转换电路，适于接收光信号，并将所接收到的光信号转换为电流信号；电流电压转换电路，与所述光电转换电路耦接，适于将所述光电转换电路输出的电流信号转换为电压信号；行选通电路，与所述电流电压转换电路及读出电路耦接，适于接收行选通信号，以将所述电流电压转换电路输出的电压信号输入至所述读出电路；转换增益调整电路，与所述电流电压转换电路及所述读出电路耦接，适于接收像素电路控制信号，并在所述像素电路控制信号的控制下，调整所述像素电路的转换增益，其中，当所述像素电路输出的信号为图像信号时，所述像素电路控制信号与所述像素电路输出信号的摆幅相关。

可选地，当所述像素电路输出的信号为图像信号时，所述像素电路控制信号，适于在所述像素电路输出信号的摆幅超出与所述像素电路耦接的读出电路的量化范围时，减小所述像素电路的转换增益，在所述像素电路输出信号的位于所述像素电路耦接的读出电路的量化范围内时，保持所述像素电路当前的大转换增益。

可选地，所述转换增益调整电路，适于在所述像素电路控制信号的控制下，通过调整接入所述电流电压转换电路输出端的电容值，调整所述像素电路的转换增益。

可选地，所述转换增益调整电路，包括：第一开关及第一电容；其中：

所述第一开关，第一端与所述电流电压转换电路的输出端耦接，第二端经所述第一电容接地，控制端与所述读出电路耦接。

可选地，所述第一开关为NMOS管，所述NMOS管的第一端为漏极端，第二端为源极端，控制端为栅极端。

可选地，所述像素电路还包括：源极跟随电路，耦接于所述电流电压转换电路与所述行选通电路之间，适于跟随所述电流电压转换电路输出的信号并进行放大。

本发明实施例还提供了一种CMOS图像传感器的读出电路，所述读出电路包括：模数转换电路，与所述CMOS图像传感器的像素电路耦接，适于对所述像素电路输出信号进行量化，得到对应的数字信号；转换增益控制电路，与所述像素电路耦接，适于当所述像素电路输出的信号为图像信号时，基于所述像素电路输出信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号，以控制所述像素电路的转换增益。

可选地，当所述像素电路输出的信号为图像信号时，所述转换增益控制电路，适于在所述像素电路输出信号的摆幅超出所述读出电路的量化范围时，通过所述像素电路控制信号，减小所述像素电路的转换增益，在所述像素电路输出信号的摆幅位于所述读出电路的量化范围内时，通过所述像素电路控制信号，保持所述像素电路当前的大转换增益。

可选地，所述转换增益控制电路，还适于当所述像素电路输出的信号为复位信号时，将第一开关信号输出端输出的第一开关控制信号作为所述像素电路控制信号。

可选地，所述转换增益控制电路，包括：

第一比较器，与所述像素电路耦接，适于判断所述像素电路输出信号的摆幅是否超出所述读出电路的量化范围，并输出比较结果信号；

第一控制信号产生电路，包括第一控制端及第二控制端，所述第一控制端与所述第一比较器耦接，所述第二控制端与所述第一开关信号输出端耦接；

所述第一控制信号产生电路，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，将所述比较结果信号作为所述像素电路控制信号，当所述像素电路输出信号为复位信号时，将所述第一开关控制信号作为像素电路控制信号。

可选地，当所述像素电路输出信号为复位信号时，所述像素电路控制信号先控制所述像素电路的转换增益减小，再控制所述像素电路的转换增益增大。

可选地，所述第一控制信号产生电路，包括：

第一选择器，与所述第一控制端及第二控制端耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述第一控制端输入的所述比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第二控制端输入的所述第一开关控制信号并输出；

锁存器，与所述第一选择器的输出端耦接，适于锁存所述第一选择器输出的所述比较结果信号；

第二选择器，与所述锁存器耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述锁存器中锁存的比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第一开关控制信号并输出。

可选地，所述第一控制信号产生电路，还包括：驱动器，适于提高所述第二选择器输出信号的驱动能力。

可选地，所述模数转换电路，包括：

第二比较电路，第一输入端与所述像素电路耦接，第二输入端与基准电压输入端耦接，适于判断所述像素电路输出信号的摆幅是否超出与所述读出电路的量化范围，并输出比较结果信号，以及对所述像素电路输出信号进行量化；

第二计数器，与所述第二比较电路耦接，适于对所述模数转换电路的量化时长进行计时，并存储量化结果

可选地，所述模数转换电路，还包括：第二放大器，适于耦接于所述像素电路与所述第二比较电路之间，适于对所述像素电路输出信号的幅度进行放大并输出至所述第二比较电路的负向输入端。

可选地，所述转换增益控制电路，包括：

第二控制信号产生电路，包括第一控制端及第二控制端，所述第一控制端与所述第二比较电路耦接，所述第二控制端与所述第一开关信号输出端耦接；

所述第二控制信号产生电路，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，将所述比较结果信号作为所述像素电路控制信号，当所述像素电路输出信号为复位信号时，将所述第一开关控制信号作为像素电路控制信号。

可选地，所述第二控制信号产生电路，包括：

第一选择器，与所述第一控制端及第二控制端耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述第一控制端输入的所述比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第二控制端输入的所述第一开关控制信号并输出；

锁存器，与所述第一选择器的输出端耦接，适于锁存所述第一选择器输出的所述比较结果信号；

第二选择器，与所述锁存器耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述锁存器中锁存的比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第一开关控制信号并输出。

本发明实施例还提供了一种图像传感器，所述图像传感器包括：

像素阵列，由上述任一种所述的CMOS图像传感器的像素电路呈阵列方式分布；

像素读出电路阵列，由上述任一种所述的CMOS图像传感器的读出电路呈阵列方式分布；

位于同一列的像素电路通过同一位线与所述像素读出电路阵列中一所述读出电路耦接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：

本发明实施例中CMOS图像传感器的像素电路，通过设置转换增益调整电路，进而可以接收像素电路控制信号，并在像素电路控制信号的控制下，调整所述像素电路的转换增益。在像素电路输出的信号为图像信号时，由于像素电路控制信号与像素电路输出信号的摆幅相关，故可以基于像素电路输出信号的摆幅，实时调整像素电路的转换增益，达到提高图像传感器的动态范围的目的。

进一步，像素电路输出的信号为图像信号时，像素电路控制信号可以在所述像素电路输出信号的摆幅超出与所述像素电路耦接的读出电路的量化范围时，减小所述像素电路的转换增益，反之则保持所述像素电路当前的大转换增益，由此可以使得像素电路能够实时地在较小转换增益和较大转换增益之间切换，进而使得图像传感器不仅能够保证暗处图像的信噪比，又可以使得图像传感器能够量化较强的光信号，从而可以有效提高图像传感器的动态范围。

进一步，转换增益调整电路可以在像素电路控制信号的控制下，通过调整接入所述电流电压转换电路输出端的电容值，调整所述像素电路的转换增益，使得像素电路转换增益更加方便，且易于实现。

本发明实施例中的CMOS图像传感器的读出电路，通过设置转换增益控制电路，并在像素电路输出的信号为图像信号时，基于像素电路输出信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号，以控制所述像素电路的转换增益，由此可以基于像素电路输出信号的摆幅，达到实时调整像素电路的转换增益的目的，最终达到提高图像传感器的动态范围的目的。

进一步，像素电路输出的信号为图像信号时，转换增益控制电路可以在像素电路输出信号的摆幅超出所述读出电路的量化范围时，通过像素电路控制信号，减小所述像素电路的转换增益，在像素电路输出信号的摆幅位于所述读出电路的量化范围内时，通过像素电路控制信号，保持所述像素电路当前的大转换增益，进而可以使得像素电路的转换增益能够实时地在较小转换增益和较大转换增益之间切换，从而使得图像传感器不仅能够保证暗处图像的信噪比，又可以使得图像传感器能够量化较强的光信号，有效提高图像传感器的动态范围。

进一步，在像素电路输出信号为复位信号时，像素电路控制信号先控制所述像素电路的转换增益减小，再控制所述像素电路的转换增益增大，由此可以使得模数转换电路能够对复位信号进行相关双采样，以降低噪声。

进一步，由于第二比较电路不仅可以判断所述像素电路输出信号的摆幅是否超出与所述读出电路的量化范围，还可以对所述像素电路输出信号进行量化，由此可以使得转换增益控制电路无须设置比较器，进而可以降低转换增益控制电路的复杂度及硬件成本。

附图说明

图1是一种像素电路的电路结构示意图；

图2是一种图1中像素电路的转换增益随光强变化的曲线示意图；

图3是本发明实施例中一种图像传感器的部分电路结构示意图；

图4是本发明实施例中一种模数转换电路的电路结构示意图；

图5是图3中图像传感器各信号的时序示意图；

图6是本发明实施例中另一种图像传感器的部分电路结构示意图；

图7是图6中图像传感器各信号的时序示意图；

图8是本发明实施例中第一控制信号产生电路的电路结构示意图。

具体实施方式

CMOS图像传感器包含像素阵列，与像素阵列耦接的像素读出电路阵列，以及数字处理电路。其中，像素阵列由若干呈阵列方式分布的像素电路构成，像素读出电路阵列由若干呈阵列方式分布的读出电路构成。同一列的像素电路由同一位线输出，并与一读出电路耦接。像素阵列将接收到的光信号转换为模拟电信号，读出电路阵列将模拟电信号转换为数字电信号，进而输出至数字处理电路进行后续处理。

图1为现有技术中一种由4个CMOS管构成的4T像素电路的电路结构。参照图1，所述4T像素电路可以包括：感光二极管PD，第一MOS管N1，第二MOS管N2，第三MOS管N3及第四MOS管N4。

其中，第一MOS管N1的栅极适于接入电流电压转换控制信号TX，源极与感光二极管PD的阴极连接，漏极与第二MOS管N2的源极连接。第二MOS管N2的栅极适于接入复位控制信号RST，漏极连接电源电压VDDPIX。第三MOS管N3适于跟随所述第二MOS管N2源极输出信号的变化，并对所述第二MOS管N2源极输出信号进行放大。第四MOS管N4的漏极与第三MOS管N3的源极耦接，栅极适于接入行选通信号SEL，源极作为所述4T像素电路的输出端与读出电路耦接。当行选通信号SEL为高电平时，该行的像素电路均接入对应的读出电路，开始执行量化过程。

本发明的实施例中，为了便于描述，将第二MOS管N2的源极与第一MOS管N1的漏极相连接的节点记为节点FD。

由光电效应可知，感光二极管PD产生的电流信号强度与入射光强度成正比。当第一MOS管N1打开后，电流信号流入节点FD转变成电压信号，电压信号经第三MOS管N3输出到位线Bit-line，由读出电路对该电压信号进行量化。

其中，4T像素电路将感光二极管PD产生的电流信号转变成节点FD电压的能力，称为4T像素电路的转换增益。4T像素电路的转换增益的大小由节点FD的寄生电容Cd决定。Cd越小，4T像素电路的转换增益越大，相应的，4T像素电路输出信号的摆幅（即4T像素电路输出信号由复位信号变化至图像信号时电压的变化值）也就越大。

图2为像素电路的转换增益随着感光二极管接收的光信号的强度而变化的曲线示意图。参照图2，Min至Max表示读出电路的量化范围，其中，Min为读出电路量化范围的下限，Max为读出电路量化范围的上限。HDR表示图像传感器的动态范围最大值。

当像素电路具有大转换增益（简称HCG）时，如曲线L1所示，在光线较暗时，具有较好的信噪比，但是在光线较亮时，像素电路输出信号的摆幅会超过读出电路的量化范围，动态范围DR-HCG较小。当像素电路具有小转换增益（简称LCG），如曲线L2所示，在光线很亮时，像素电路输出信号的摆幅也能保证在读出电路的量化范围内，但是在光线较暗处，信噪比很差，导致动态范围DR-LCG受到损失。

由此可以看出，像素电路无论是工作在HCG状态下，还是工作在LCG状态下，都会使得图像传感器的动态范围受到损失，难以满足对图像传感器的动态范围的要求。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种CMOS图像传感器的读出电路，通过设置转换增益控制电路，并在像素电路输出的信号为图像信号时，基于像素电路输出的模拟信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号，以控制所述像素电路的转换增益，由此可以基于像素电路输出信号的摆幅，达到实时调整像素电路的转换增益的目的，最终达到提高图像传感器的动态范围的目的。

相应地，本发明实施例还提供了一种CMOS图像传感器的像素电路，通过设置转换增益调整电路，进而可以接收像素电路控制信号，并在像素电路控制信号的控制下，调整所述像素电路的转换增益，达到提高图像传感器的动态范围的目的。

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。

参照图3，本发明实施例提供了一种CMOS图像传感器的像素电路30，所述像素电路30可以包括：光电转换电路31，电流电压转换电路32，行选通电路33及转换增益调整电路34。其中：

所述光电转换电路31，适于接收光信号，并将所接收到的光信号转换为电流信号；

所述电流电压转换电路32，与所述光电转换电路31耦接，适于将所述光电转换电路31输出的电流信号转换为电压信号；

所述行选通电路33，与所述电流电压转换电路32及读出电路40耦接，适于接收行选通信号SEL，以将所述电流电压转换电路32输出的电压信号输入至所述读出电路40；

转换增益调整电路34，与所述电流电压转换电路32及所述读出电路40耦接，适于接收像素电路控制信号PIXEL，并在所述像素电路控制信号PIXEL的控制下，调整所述像素电路30的转换增益。其中，当所述像素电路30输出信号为图像信号时，所述像素电路控制信号PIXEL与所述像素电路30输出信号的摆幅相关。

基于像素电路30输出信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号PIXEL，以实时调整像素电路30的转换增益，故可以达到提高图像传感器的动态范围的目的。

本发明的实施例中，为了便于描述，基于像素电路30的转换增益，将所述像素电路30的工作状态划分为以下两种：一种为大转换增益状态，即HCG状态，另一种为小转换增益状态，即LCG状态。像素电路30要么工作在HCG状态下，要么工作在LCG状态下。HCG状态下像素电路30的转换增益，大于LCG状态下像素电路30的转换增益。

在具体实施中，像素电路控制信号PIXEL可以采用多种方式调整所述像素电路30的转换增益。

在本发明的一实施例中，初始状态时，可以令所述像素电路30工作在大转换增益状态下。当所述像素电路30输出的信号为图像信号时，所述像素电路控制信号PIXEL，可以在所述像素电路30输出信号的摆幅超出与所述像素电路30耦接的读出电路40的量化范围时，减小所述像素电路30的转换增益，在所述像素电路30输出信号的摆幅位于与所述像素电路30耦接的读出电路40的量化范围内时，保持所述像素电路30当前的大转换增益。

在具体实施中，所述像素电路30输出信号的摆幅，即所述像素电路30的输出信号由复位信号变化至图像信号时电压的变化量。可以通过调整所述预设电压阈值VT，来测量像素电路30输出信号的摆幅是否超出读出电路40的量化范围。比如，可以设置所述预设电压阈值VT为：所述像素电路30输出复位信号的电压值，与所述读出电路40能够处理的信号的最大摆幅之间的差值。

当所述像素电路30输出信号的幅度小于或等于所述预设电压阈值VT时，表明光电转换电路31接收的光信号的强度较强，此时，像素电路控制信号PIXEL可以控制所述像素电路30以较小转换增益（即LCG）输出信号，以保障所述像素电路30的输出信号能够在读出电路40的量化范围内。

当所述像素电路30输出信号的幅度大于所述预设电压阈值VT时，表明光电转换电路31接收的光信号的强度较弱。为了提高光线较暗处的信噪比损失，像素电路控制信号PIXEL可以控制所述像素电路30以较大转换增益（即HCG）输出信号。

读出电路40基于像素电路输出信号的摆幅，实时调整像素电路的转换增益，读出电路40对像素电路在适当转换增益下输出的信号进行量化。图像传感器中的数字处理电路会对读出电路40的量化结果进行融合，得到数字图像。该数字图像不仅保证了光线较暗处的信噪比，而且能够量化较强的光信号，从而可以大大提高图像传感器的动态范围。

在具体实施中，所述像素电路30可能为4T像素电路，也可能为6T像素电路，还可能为其它像素电路。可以理解的是，所述像素电路30中包含的MOS管的数量，并不构成对本发明的限制。

为了便于描述，本发明的实施例中，以图1中的4T像素电路为例，对所述像素电路30进行详细描述：

参照图1及图3，感光二极管PD作为光电转换电路31，接收光信号，并将所接收到的光信号转换为电流信号。第一MOS管N1及第二MOS管N2构成所述电流电压转换电路32。第四MOS管N4构成所述行选通电路33。

在具体实施中，为了提高分辨率，所述像素电路30还包括源极跟随电路35，耦接于所述电流电压转换电路32与所述行选通电路33之间，适于跟随所述电流电压转换电路32的输出信号并进行放大。其中，所述源极跟随电路35可以由第三MOS管N3构成。

在具体实施中，所述像素电路30的输出端，也就是第四MOS管N4的源极，先输出复位信号。当读出电路40对复位信号量化结束后，所述像素电路30的输出端再输出图像信号。但无论是复位信号，还是图像信号，均为模拟信号，也就均需要后续的读出电路40对其进行量化，以转换成相应数字信号。

在本发明的一实施例中，当像素电路30输出图像信号时，所述转换增益调整电路34，适于在所述像素电路控制信号PIXEL的控制下，通过调整接入所述电流电压转换电路32输出端的电容值，调整所述像素电路30的转换增益。

其中，所述电流电压转换电路32输出端即节点FD。由于节点FD的电容值与所述像素电路30的转换增益存在线性关系，故通过调整接入节点FD的电容值，可以达到调整所述像素电路30的转换增益的目的。

在具体实施中，所述转换增益调整电路34可以采用多种电路结构调整像素电路30的转换增益，具体不作限制。

在本发明的一实施例中，所述转换增益调整电路34可以包括：第一开关SS1及第一电容C1。其中：所述第一开关SS1，第一端与所述电流电压转换电路32的输出端（即节点FD）耦接，第二端经所述第一电容C1接地，控制端与所述读出电路40耦接。

在具体实施中，所述第一开关SS1可以为NMOS管，所述NMOS管的第一端为漏极端，第二端为源极端，控制端为栅极端。通过向第一开关SS1的栅极端施加像素电路控制信号PIXEL，可以改变像素电路30的转换增益。

具体地，当像素电路控制信号PIXEL为高电平时，第一开关SS1打开，电容C1接入节点FD，此时像素电路30为小转换增益（LCG）。当像素电路控制信号PIXEL为低电平时，第一开关SS1关闭，节点FD的电容只有寄生电容，此时像素电路30为大转换增益（HCG）。

在具体实施中，像素电路控制信号PIXEL可以通过多种方式产生，比如，可以通过图像传感器外部直接向像素电路30输入像素电路控制信号PIXEL，也可以由图像传感器内部设置的相应装置产生像素电路控制信号PIXEL，并输入至节点FD。在图3所示的实施例中，像素电路控制信号PIXEL由读出电路40产生。

可以理解的是，具体无论何种方式产生像素电路控制信号PIXEL，均不构成对本发明的限制，且均在本发明的保护范围之内。

下面对本发明实施例中CMOS图像传感器的读出电路40进行详细描述：

在本发明的一实施例中，参照图3，所述读出电路40可以包括：模数转换电路41及转换增益控制电路42。其中：

所述模数转换电路41，与所述CMOS图像传感器的像素电路30耦接，适于对所述像素电路30输出信号进行量化，得到对应的数字信号；

所述转换增益控制电路42，与所述像素电路30耦接，适于当所述像素电路30输出的信号为图像信号时，基于所述像素电路30输出信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号PIXEL，以控制所述像素电路30的转换增益。

由于转换增益控制电路42可以基于所述像素电路30输出信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号PIXEL，通过像素电路控制信号PIXEL控制像素电路30在HCG及LCG之间切换，最终达到提高图像传感器的动态范围的目的。

优选地，在本发明的一实施例中，当所述像素电路30输出的信号为图像信号时，所述转换增益控制电路42，适于在所述像素电路30输出信号的摆幅超出与所述像素电路30耦接的读出电路40的量化范围时，通过所述像素电路控制信号PIXEL，减小所述像素电路30的转换增益，在所述像素电路30输出信号的摆幅位于与所述像素电路30耦接的读出电路40的量化范围内时，通过所述像素电路控制信号PIXEL，保持所述像素电路30当前的大转换增益。

具体地，在所述像素电路30输出的信号为图像信号时，所述转换增益控制电路42基于所述像素电路30输出信号的幅度与预设电压阈值VT之间的比较结果信号CMP_OUT，产生相应的像素电路控制信号PIXEL。

在具体实施中，所述转换增益控制电路42，还适于当所述像素电路30输出的信号为复位信号时，将第一开关信号输出端输出的第一开关控制信号SS1_EX作为所述像素电路控制信号PIXEL。

在本发明的一实施例中，参照图3，所述转换增益控制电路42可以包括：第一比较器421，及第一控制信号产生电路422。其中：

所述第一比较器421，与所述像素电路30耦接，适于判断所述像素电路30输出信号摆幅是否超出所述读出电路40的量化范围，并输出比较结果信号CMP_OUT；

第一控制信号产生电路422，包括第一控制端及第二控制端，所述第一控制端与所述第一比较器421耦接，所述第二控制端与所述第一开关信号输出端耦接。所述第一控制信号产生电路422通过所述第二控制端接入第一开关控制信号SS1_EX。

所述第一控制信号产生电路422，适于当所述像素电路30输出信号为图像信号时，将所述比较结果信号CMP_OUT作为所述像素电路控制信号PIXEL，当所述像素电路30输出信号为复位信号时，将所述第一开关控制信号SS1_EX作为像素电路控制信号PIXEL。

在本发明的一实施例中，当所述像素电路30输出的模拟信号为复位信号时，所述像素电路控制信号PIXEL先控制所述像素电路30的转换增益减小，再控制所述像素电路30的转换增益增大。

通过先控制像素电路30处于LCG状态来进行复位信号的量化，然后控制像素电路30转换为HCG状态再对复位信号进行第二次量化，由此可以在后续对图像信号量化时，根据对图像信号量化阶段像素电路30的转换增益的大小，选择像素电路30处于LCG状态或HCG状态的复位信号量化结果进行融合，进而使得图像信号量化阶段与复位信号量化阶段两次采样的相关性最高，达到真实相关双采样（True CDS），由此可以降低图像传感器的噪声，提高图像质量。

比如，当对图像信号量化阶段像素电路30的转换增益为LCG时，则选择像素电路30处于LCG状态的复位信号量化结果，与图像信号量化结果进行融合。当对图像信号量化阶段像素电路30的转换增益为HCG时，则选择像素电路30处于HCG状态的复位信号量化结果，与图像信号量化结果进行融合。

在图3所示的实施例中，所述模数转换电路41可以采用图4示处的可编程增益放大器（Pmgrammable Gain Amplifier，PGA）+单斜模数转换器（Single SlopAnalog-to-Digital Converter，SS-ADC）电路结构。

具体地，所述模数转换电路41可以包括：第一放大器411，与第一放大器411连接的第一比较电路412，与第一比较电路412连接的第一计数器413。

其中，像素电路30的输出端与位线Bit-line连接，并经第五MOS管N5的源极接地，第五MOS管的栅极适于接入偏置电压vbias。所述偏置电压vbias可以使得第五MOS管N5产生适当的偏置电流并提供给源极跟随电路35。

所述第一放大器411可以包括：电容Cs、电容Cf，第二开关s1、第三开关s2，及第二比较器411a。第二比较器411a的负向输入端存在寄生电容Cp。电容Cf与第三开关s2串联后的支路，与第二开关s1并连，并耦接于第二比较器411a的负向输入端及输出端之间。第二比较器411a的正向输入端接入直流共模电压vcm，以确保第二比较器411a工作在正常状态下。电容Cs可以避免直流共模电压vcm受到干扰，为第二比较器411a提供保护作用。

第一比较电路412包括：电容C2，第三比较器412a及第四开关s3。电容C2耦接于第三比较器412a的负向输入端与第二比较器411a的输出端之间。第三比较器412a的正向输入端接入斜坡参考电压vramp，所述斜坡参考电压vramp的电压值随时间变化。

在像素电路30的输出信号经第一放大器411放大后，第一比较器421正向输入端所输入的电压为VT’。所述VT’的电压值可以根据实际需要进行设置，只要能够判断所述像素电路30输出信号摆幅是否超出所述读出电路40的量化范围即可。

下面结合图3至图5，对所述像素电路30及所述读出电路40的工作过程描述如下：

具体地，当复位控制信号RST和电流电压转换控制信号TX同时为高电平时，此时，第一MOS管N1及第二MOS管N2均打开，执行对感光二极管PD的复位过程，曝光开始。

之后，行选通信号SEL为高电平，选中像素电路30所在行的所有像素电路，即像素电路30所在行的所有像素电路均通过位线Bit-line接入对应的读出电路40，量化开始。

初始状态下，可以控制像素电路30处于LCG状态，此时像素电路控制信号PIXEL强制为高电平，并且复位控制信号RST为高电平，以对节点FD进行复位。

在读出电路40对像素电路30处于LCG状态输出的复位信号量化完成后，读出电路40会将量化结果存入额外的寄存器，然后将像素电路控制信号SS1_EX强制拉低，使得第一开关SS1管断开。此时，像素电路30由LCG状态转换为HCG状态，读出电路40开始量化像素电路30在HCG状态输出的复位信号。

当读出电路40对像素电路30在HCG状态输出的复位信号量化完成后，第一MOS管N1再次打开，将感光二极管PD输出的电流信号传输至节点FD，此时位线Bit-line输出的是图像信号。

由于此时第一开关SS1管断开，故像素电路30处于HCG状态，像素电路30输出的图像信号经第一比较器421的负向输入端输入至第一比较器421中，由第一比较器421将其与预设电压阈值VT比较。

若像素电路30输出的图像信号的电压值大于预设电压阈值VT，表明感光二极管PD接收到的光信号较弱，第一比较器421输出低电平的比较结果信号CMP_OUT。相应地，第一控制信号产生电路422将低电平的比较结果信号CMP_OUT作为像素电路控制信号PIXEL，第一开关SS1断开，保持像素电路30处于HCG状态。

若像素电路30输出的图像信号的电压值小于预设电压阈值VT，表明感光二极管PD接收到的光信号较强，第一比较器421输出高电平的比较结果信号CMP_OUT。相应地，第一控制信号产生电路422将高电平的比较结果信号CMP_OUT作为像素电路控制信号PIXEL，第一开关SS1闭合，使得像素电路30由HCG状态转换为LCG状态。

基于对图像信号进行量化过程中像素电路30的转换增益，选择相同转换增益状态的复位电平量化结果进行归一化融合，得到最终的量化结果并进行后续数字化处理。

在本发明的一实施例中，为了使得后续的数字化处理器件能够获知读出电路40对图像信号进行量化过程中，像素电路30的转换增益状态，第一控制信号产生电路422可以输出相应的增益标识信息Flag至读出电路40，由读出电路40将增益标识信息Flag发送至后续的数字化处理器件。

在本发明的一实施例中，由于第一比较器421仅在像素电路30输出的信号为图像信号时才执行比较操作，并输出比较结果信号CMP_OUT，故为了使得读出电路40及第一控制信号产生电路422能够在像素电路30输出复位信号时执行相应的操作，可以向读出电路40及第一控制信号产生电路422输入第一使能信号judge_en。通过第一使能信号judge_en，使得读出电路40及第一控制信号产生电路422在第一比较器421执行比较操作之后再开始工作。

如图5所示，信号read_en表示量化过程示意曲线。其中，时刻t1~t2，表示读出电路对处于LCG状态的像素电路输出的复位信号进行量化的时长。时刻t3~t4，表示读出电路对处于HCG状态的像素电路输出的复位信号进行量化的时长。时刻t5~t6，表示读出电路对像素电路输出的图像信号进行量化的时长。

第一使能信号judge_en为高电平时，表示第一比较器421执行比较操作。读出电路40及第一控制信号产生电路422可以在第一使能信号judge_en由高电平转换为低电平后再开始工作。

位线Bit-line上输出的信号（见曲线Bit-line）由复位信号转换为图像信号时，电压值由高电平转换为低电平，电压值的变化量，即像素电路输出信号的摆幅W。

可以理解的是，在具体实施中，位线Bit-line上输出信号的电压值，在PIXEL为低电平时（HCG）可能低于预设的电压阈值（如图5中曲线Bit-line中实线所示），说明此时信号摆幅超过读出电路的量化范围，相应地，控制电路会将像素电路控制信号PIXEL由低电平（如图5中像素电路控制信号PIXEL的曲线中实线所示）调整为高电平（如图5中像素电路控制信号PIXEL的曲线中虚线所示）。由于像素从HCG切换到LCG状态，位线Bit-line上输出信号的电压值升高（如图5中曲线Bit-line中虚线所示），此时的信号摆幅在读出电路的量化范围内。

信号counter_refresh表示第一计数器413的更新信号，用于在位线Bit-line上输出的信号由复位信号转换为图像信号后，基于第一比较器421的比较结果，改变第一计数器413内存储的复位信号量化结果。

通常情况下，第一计数器413可以保存两次信号量化结果。在对图像信号继续量化前，第一计数器413需要删除两次复位信号量化结果中的一个。具体删除哪次复位信号量化结果，根据第一比较器421的比较结果确定。当第一比较器421的比较结果为低电平的比较结果信号时，第一计数器413基于信号counter_refresh，删除像素电路30处于LCG状态时的复位信号量化结果，保留像素电路30处于HCG状态时的复位信号量化结果。反之，则删除像素电路30处于HCG状态时的复位信号量化结果，保留像素电路30处于LCG状态时的复位信号量化结果。

在具体实施中，无论是对复位信号进行量化，还是对图像信号进行量化，读出电路40均先对像素电路30的输出信号进行采样，采样结束后，再保持像素电路30的输出信号的电压稳定，继续后续量化过程。

当对信号进行采样时，如图3所述，第二开关s1及第四开关s3闭合，第三开关s2断开，采样开始。当第二开关s1及第四开关s3断开，第三开关s2闭合时，采样结束。具体可以参照图5中第二开关s1、第三开关s2、第四开关s3分别对应的曲线S1、S2b及S3。其中，曲线S2b为对第三开关s2的时序信号取反后的示意曲线。

图6为本发明实施例中另一种CMOS图像传感器的读出电路50，与图3中示处的读出电路40不同之处在于：模数转换电路51与转换增益控制电路52复用同一比较器。

具体地，所述模数转换电路51可以包括：

第二比较电路511，包括第二比较器511a；所述第二比较器511a的负向输入端与所述像素电路30耦接，正向输入端与基准电压输入端耦接，适于将所述像素电路输出信号的幅度与所述基准电压输出端输出信号的幅度进行比较，并输出比较结果信号；

第二计数器512，与所述第二比较电路511耦接，适于对所述模数转换电路51的量化时长进行计时，并存储量化结果；

其中，当所述像素电路30输出信号为图像信号时，所述基准电压输出端输出信号的幅度为所述预设电压阈值VT。当所述转换增益控制电路产生所述像素电路控制信号PIXEL后，所述基准电压输出端输出信号的幅度与用于对图像信号进行量化的基准电压信号vramp的幅度相同。

在本发明的一实施例中，为了减少读出电路50的噪声，所述模数转换电路51，还可以包括：

第二放大器513，适于耦接于所述像素电路30与所述第二比较电路511之间，适于对所述像素电路30输出信号的幅度进行放大并输出至所述第二比较电路511的负向输入端。

在具体实施中，所述第二比较电路511可以参照上述关于第一比较电路412的描述进行实施。所述第二计数器512可以参照上述关于第一计数器413的描述进行实施。所述第二放大器513可以参照上述关于第一放大器411的描述进行实施。此处不再赘述。

在本发明的一实施例中，所述转换增益控制电路52可以包括：

第二控制信号产生电路521，包括第一控制端及第二控制端，所述第一控制端与所述第二比较电路511耦接，所述第二控制端与所述第一开关信号输出端耦接；

所述第二控制信号产生电路521，适于当所述像素电路30输出的模拟信号为图像信号时，将所述比较结果信号作为所述像素电路控制信号，当所述像素电路输出的模拟信号为复位信号时，将所述第一开关控制信号作为像素电路控制信号。

当所述像素电路30输出信号为图像信号且经第二放大器513放大后，第二比较器511a先将图像信号的幅度与所述预设电压阈值VT进行比较，输出比较结果信号CMP_OUT至第二控制信号产生电路521。当所述转换增益控制电路产生所述像素电路控制信号PIXEL且经第二放大器513放大后，第二比较器511a将图像信号的幅度，与用于对图像信号进行量化的基准电压信号vramp的幅度进行比较，以对图像信号进行量化。具体量化过程可以参照上述关于图3中读出电路40的量化过程进行实施。

图7为图6中各信号的时序示意图。关于图6中各信号的时序可以参照上述关于图5中相应信号的时序进行实施。其中，counter_en表示第二计数器512的使能信号，用于触发第二计数器512存储量化结果。vramp表示第二比较器511a正向输入端输入的斜坡参考电压vramp随时间变化的曲线。

具体地，对于曲线vramp，在时刻t1’~t2’内，读出电路对处于LCG状态的像素电路输出的复位信号进行量化。在时刻t3’~t4’内，读出电路对处于HCG状态的像素电路输出的复位信号进行量化。在时刻t5’~t6’内，第二比较器511a对像素电路30的转换增益是否需要切换进行判断。在时刻t7’~t8’内，读出电路对像素电路输出的图像信号进行量化。

由于第二控制信号产生电路521与模数转换电路51复用第二比较器511a，并且第二比较器511a可以通过正向输入端输入的电压值，确定当前执行转换增益的判断过程还是量化过程，故第一使能信号judge_en无需再向模数转换电路51施加，而直接向第二计数器512施加即可。

图8为本发明一实施例中第一控制信号产生电路422电路结构示意图。参照图8，第一控制信号产生电路422可以包括：第一选择器MUX1，锁存器Latch及第二选择器MUX2。其中：

所述第一选择器MUX1，与所述第一控制端及第二控制端耦接，适于当所述像素电路30输出信号为图像信号时，选择所述第一控制端输入的所述比较结果信号CMP_OUT并输出，当所述像素电路30输出信号为复位信号时，选择所述第二控制端输入的所述第一开关控制信号SS1_EX并输出；

锁存器Latch，与所述第一选择器MUX1的输出端耦接，适于锁存所述第一选择器MUX1输出的所述比较结果信号CMP_OUT；

第二选择器MUX2，与所述锁存器Latch耦接，适于当所述像素电路30输出信号为图像信号时，选择所述锁存器Latch中锁存的比较结果信号CMP_OUT并输出，当所述像素电路30输出信号为复位信号时，选择所述第一开关控制信号SS1_EX并输出。

通过设置锁存器Latch，可以避免因比较结果信号CMP_OUT波动，而导致第一控制信号产生电路422的不稳定，有效提高第一控制信号产生电路422的稳定性。

在本发明的一实施例中，为了提高第二选择器MUX2输出信号的驱动能力，所述第一控制信号产生电路422还可以包括驱动器422a。

结合图5，当第二使能信号judge_sel为低电平时，锁存器Latch被旁路，像素电路控制信号PIXEL与外部给的第一开关控制信号SS1_EX相同，由行时序电路控制。而当第二使能信号judge_sel为高电平时，第一控制信号产生电路422将判断像素电路30是否需要调整转换增益。一旦判断结束，比较结果信号CMP_OUT将被锁存在锁存器Latch中，一方面作为增益标识信息Flag输出给第一计数器413，另一方面经驱动器422a驱动第一开关。

在具体实施中，关于第二控制信号产生电路521，可以参照上述关于图8中第一控制信号产生电路422的电路结构进行实施，此处不再赘述。

本发明实施例还提供了一种图像传感器。具体地，所述图像传感器可以包括：像素阵列，及像素读出电路阵列。位于同一列的像素电路通过同一位线与所述像素读出电路阵列中一所述读出电路耦接。

其中，所述像素阵列由本发明实施例中任一种所述的CMOS图像传感器的像素电路呈阵列方式分布。所述像素读出电路阵列，由本发明实施例中任一种所述的CMOS图像传感器的读出电路呈阵列方式分布。

采用本发明实施例中的像素电路及读出电路，形成CMOS图像传感器，既可以保证光线较暗处的信噪比，由可以光信号的摆幅扩大，从而大大提高了CMOS图像传感器的动态范围。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例的方法及系统做了详细的介绍，本发明并不限于此。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 (17)

1.一种CMOS图像传感器的读出电路，所述CMOS图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列由若干呈阵列分布的像素电路构成，位于同一列的像素电路与同一读出电路耦接；其特征在于，所述读出电路包括：

模数转换电路，与所述CMOS图像传感器的像素电路耦接，适于对所述像素电路输出信号进行量化，得到对应的数字信号；

转换增益控制电路，与所述像素电路耦接，适于当所述像素电路输出的信号为图像信号时，基于所述像素电路输出信号的摆幅，产生相应的像素电路控制信号，以控制所述像素电路的转换增益；

当所述像素电路输出的信号为图像信号时，所述转换增益控制电路，适于在所述像素电路输出信号的摆幅超出所述读出电路的量化范围时，通过所述像素电路控制信号，减小所述像素电路的转换增益，在所述像素电路输出信号的摆幅位于所述读出电路的量化范围内时，通过所述像素电路控制信号，保持所述像素电路当前的大转换增益。

2.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述像素电路包括：

光电转换电路，适于接收光信号，并将所接收到的光信号转换为电流信号；

电流电压转换电路，与所述光电转换电路耦接，适于将所述光电转换电路输出的电流信号转换为电压信号；

行选通电路，与所述电流电压转换电路及读出电路耦接，适于接收行选通信号，以将所述电流电压转换电路输出的电压信号输入至所述读出电路；

转换增益调整电路，与所述电流电压转换电路及所述读出电路耦接，适于接收像素电路控制信号，并在所述像素电路控制信号的控制下，调整所述像素电路的转换增益，其中，当所述像素电路输出的信号为图像信号时，所述像素电路控制信号与所述像素电路输出信号的摆幅相关。

3.如权利要求2所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，当所述像素电路输出的信号为图像信号时，所述像素电路控制信号，适于在所述像素电路输出信号的摆幅超出与所述像素电路耦接的读出电路的量化范围时，减小所述像素电路的转换增益，在所述像素电路输出信号的摆幅位于所述像素电路耦接的读出电路的量化范围内时，保持所述像素电路当前的大转换增益。

4.如权利要求2或3所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述转换增益调整电路，适于在所述像素电路控制信号的控制下，通过调整接入所述电流电压转换电路输出端的电容值，调整所述像素电路的转换增益。

5.如权利要求4所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述转换增益调整电路，包括：第一开关及第一电容；其中：

所述第一开关，第一端与所述电流电压转换电路的输出端耦接，第二端经所述第一电容接地，控制端与所述读出电路耦接。

6.如权利要求5所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述第一开关为NMOS管，所述NMOS管的第一端为漏极端，第二端为源极端，控制端为栅极端。

7.如权利要求2所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述像素电路还包括：

源极跟随电路，耦接于所述电流电压转换电路与所述行选通电路之间，适于跟随所述电流电压转换电路输出的信号并进行放大。

8.如权利要求1所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述转换增益控制电路，还适于当所述像素电路输出的信号为复位信号时，将第一开关信号输出端输出的第一开关控制信号作为所述像素电路控制信号。

9.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述转换增益控制电路，包括：

第一比较器，与所述像素电路耦接，适于判断所述像素电路输出信号的摆幅是否超出所述读出电路的量化范围，并输出比较结果信号；

第一控制信号产生电路，包括第一控制端及第二控制端，所述第一控制端与所述第一比较器耦接，所述第二控制端与所述第一开关信号输出端耦接；

所述第一控制信号产生电路，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，将所述比较结果信号作为所述像素电路控制信号，当所述像素电路输出信号为复位信号时，将所述第一开关控制信号作为像素电路控制信号。

10.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，当所述像素电路输出信号为复位信号时，所述像素电路控制信号先控制所述像素电路的转换增益减小，再控制所述像素电路的转换增益增大。

11.如权利要求9所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述第一控制信号产生电路，包括：

第一选择器，与所述第一控制端及第二控制端耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述第一控制端输入的所述比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第二控制端输入的所述第一开关控制信号并输出；

锁存器，与所述第一选择器的输出端耦接，适于锁存所述第一选择器输出的所述比较结果信号；

第二选择器，与所述锁存器耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述锁存器中锁存的比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第一开关控制信号并输出。

12.如权利要求11所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述第一控制信号产生电路，还包括：

驱动器，适于提高所述第二选择器输出信号的驱动能力。

13.如权利要求8所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述模数转换电路，包括：

第二比较电路，第一输入端与所述像素电路耦接，第二输入端与基准电压输入端耦接，适于判断所述像素电路输出信号的摆幅是否超出与所述读出电路的量化范围，并输出比较结果信号，以及对所述像素电路输出信号进行量化；

第二计数器，与所述第二比较电路耦接，适于对所述模数转换电路的量化时长进行计时，并存储量化结果。

14.如权利要求13所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述模数转换电路，还包括：

第二放大器，适于耦接于所述像素电路与所述第二比较电路之间，适于对所述像素电路输出信号的幅度进行放大并输出至所述第二比较电路的负向输入端。

15.如权利要求14所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述转换增益控制电路，包括：

第二控制信号产生电路，包括第一控制端及第二控制端，所述第一控制端与所述第二比较电路耦接，所述第二控制端与所述第一开关信号输出端耦接；

所述第二控制信号产生电路，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，将所述比较结果信号作为所述像素电路控制信号，当所述像素电路输出信号为复位信号时，将所述第一开关控制信号作为像素电路控制信号。

16.如权利要求15所述的CMOS图像传感器的读出电路，其特征在于，所述第二控制信号产生电路，包括：

第一选择器，与所述第一控制端及第二控制端耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述第一控制端输入的所述比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第二控制端输入的所述第一开关控制信号并输出；

锁存器，与所述第一选择器的输出端耦接，适于锁存所述第一选择器输出的所述比较结果信号；

第二选择器，与所述锁存器耦接，适于当所述像素电路输出信号为图像信号时，选择所述锁存器中锁存的比较结果信号并输出，当所述像素电路输出信号为复位信号时，选择所述第一开关控制信号并输出。

17.一种图像传感器，包括：

像素阵列，由像素电路呈阵列方式分布；

像素读出电路阵列，由权利要求1至16任一项所述的CMOS图像传感器的读出电路呈阵列方式分布；

位于同一列的像素电路通过同一位线与所述像素读出电路阵列中一所述读出电路耦接。

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