CN110278397B - 一种用于cmos图像传感器的低功耗列电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路，包括比较器与计数器，还包括：反馈控制电路以及相应的控制晶体管；所述控制晶体管的漏极接像素单元的输出信号，源极接偏置电流管；所述反馈控制电路的输入分别接比较器的输出和时序控制器的输出，生成的输出信号分别接控制晶体管的栅极与比较器的控制端，以分别控制像素单元的读出电路与比较器的偏置；当列电路量化结束后，利用反馈控制电路的输出信号关闭像素单元的读出电路与比较器。其利用反馈控制电路的输出来控制像素单元读出电路的偏置和比较器电路的偏置，当量化完成后，通过偏置控制关闭响应电路，从而达到降低功耗的目的。

Description

一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路
技术领域
本发明涉及CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器领域，尤其涉及一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路。
背景技术
CMOS图像传感器广泛的应用于电子消费、安防监控、自动控制、医疗以及国防等众多领域,特别是近年智能终端的兴起，对低功耗的需求更加重视。
图1是CMOS图像传感器结构示例。CMOS图像传感器1包含像素阵列100、时序控制器101、行译码102、列电路阵列103、Ramp产生器104、存储器105、列译码106。其中像素阵列100，是由像素单元200(像素单元示例见图2)组成阵列，列电路阵列103由列电路220(列电路示例见图2)组成阵列，通常情况，每列像素单元200对应一个列电路220。行译码102通过控制信号线108控制像素阵列100以行方式曝光和读出；像素阵列100通过像素输出信号线110，将像素阵列100的输出信号输出到列电路阵列103；列电路阵列103将像素信号转成数字信号后，通过信号线113存储在存储器105；列译码106通过控制信号线115，将存储在存储器105的信号依次通过信号线112输出到时序控制器101中。时序控制器101分别通过控制信号线107、109、114控制行译码102、列电路阵列103、列译码106。Ramp产生器104产生Ramp信号，通过Ramp信号线111输入到列电路阵列103。
图2是像素单元和现有列电路结构示例。图1中像素阵列100是由像素单元200组成阵列。像素单元200由光电二极管204、传输管203、清零管201、源跟随管202、选择管205组成。光电二极管204接受光信号，将光信号转换成电信号；传输管203在控制信号TG控制下，将光电二极管204产生的电信号传输到节点206；清零管201在控制信号RST控制下，对节点206清零；源跟随管202将节点206上存储的信号读出；选择管205在控制信号SEL控制下将像素单元200信号输出到像素输出信号线110上。控制信号RST、TG、SEL是由行译码102产生的控制信号线108。
列电路220由比较器210和计数器211组成，比较器210由电容207、开关208和放大器209组成。比较器210比较像素输出信号110和ramp信号111的大小，输出信号212控制计数器211计数，从而完成模数转换。计算器211完成计数后通过信号线113输出到存储器105中。
图3是现有结构的控制时序图示例。从T0开始到T1，比较器中的开关208在控制信号S1控制下闭合，比较器完成工作点的自建立，比较器210中节点213的电平与此刻Ramp信号111电平相等；在T2时刻，Ramp信号111增大ΔVramp，使Ramp信号111电平比节点213电平高ΔVramp，比较器210输出高电平；在T3时刻Ramp信号111开始减小，时钟信号CLOCK输出时钟，计数器211开始计数；在T4时刻Ramp信号111电平与节点213电平相等，随着Ramp信号111电平进一步减小，比较器210输出变成低电平，计数器211停止计数，这时计数器211的计数为D0；在T5时刻，Ramp信号111停止减小；在T6时刻，完成像素清零信号模数转换后，Ramp信号111电平重新回到时刻T2的电平；在T6时刻和T7时刻之间，像素输出信号110输出像素单元200将信号从光电二极管204转移到节点206后的信号，像素输出信号110电平变化ΔVpix，在电容207耦合作用下，节点213电平也减小ΔVpix，使Ramp信号111电平比节点213电平高ΔVramp+ΔVpix；在T7时刻Ramp信号111开始减小，时钟信号CLOCK输出时钟，计数器211开始计数；在T8时刻Ramp信号111与节点213电平相等，随着Ramp信号111电平进一步减小，比较器210输出变成低电平，计数器211停止计数，这时计数器211的计数为D1；在T9时刻，Ramp信号111停止减小。因为在T8时刻，节点213电平相对T4时刻减小ΔVpix，T8时刻Ramp信号111电平也比T4时刻Ramp信号111电平减小ΔVpix；因此计数器211在T7到T9时间段的计数D1和在T3到T5时间段的数据D0之差，是像素输出信号ΔVpix的量化值。
现有列电路结构的功耗是一直存在的，不管是否已经量化完成,这样就造成了很大的浪费，特别在输出信号很小的时候，浪费更多，制约了图像传感器的低功耗应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路，当量化完成后，通过合理偏置控制关闭列电路，从而实现降低功耗的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路，包括比较器与计数器，还包括：反馈控制电路以及相应的控制晶体管；
所述控制晶体管的漏极接像素单元的输出信号，源极接偏置电流管；
所述反馈控制电路的输入分别接比较器的输出和时序控制器的输出，生成的输出信号分别接控制晶体管的栅极与比较器的控制端，以分别控制像素单元的读出电路与比较器的偏置；当列电路量化结束后，利用反馈控制电路的输出信号关闭像素单元的读出电路与比较器。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用反馈控制电路的输出来控制像素单元读出电路的偏置和比较器电路的偏置，当量化完成后，通过偏置控制关闭响应电路，从而实现低功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明背景技术提供的CMOS图像传感器的示例；
图2为本发明背景技术提供的像素单元和现有列电路结构示例；
图3为本发明背景技术提供的现有列电路结构的控制时序图示例；
图4为本发明实施例提供的一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路的示意图；
图5为本发明实施例提供的低功耗列电路中比较器结构示意图；
图6为本发明实施例提供的低功耗列电路中反馈控制电路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的低功耗列电路的控制时序图示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路，如图4所示，该低功耗列电路在传统图2的列电路基础上增加了反馈控制电路403和对应的控制晶体管401。
所述控制晶体管401的漏极接像素单元的输出信号Pix_Out 110，源极接偏置电流管；
所述反馈控制电路403的输入分别接比较器410的输出comp_out 405和时序控制器输出109(可参见图1)中的COL_EN，生成的输出信号col_pwd 402分别接控制晶体管401的栅极与比较器410的控制端，以分别控制像素单元的读出电路与比较器的偏置；当列电路量化结束后，利用反馈控制电路403的输出信号关闭像素单元的读出电路与比较器410。
如图5所示，比较器内的放大器404可以通过差分五管放大器实现。
第一与第二N型MOS管513和514组成差分五管放大器的差分输入对；第一与第二P型MOS管511和512组成差分五管放大器的负载管；第三与第四N型MOS管502和N型MOS管504串联作为尾电流源；
第一N型MOS管513的栅极连接到第一节点506，成为差分放大器的正输入端；第二N型MOS管514的栅极连接到第二节点505，成为差分放大器的负输入端；第一N型MOS管513的漏极与第一P型MOS管511的漏极及栅极连接到第三节点510，成为差分放大器的负输出端，同时第二P型MOS管512的栅极连到第三节点510上；第二N型MOS管514的漏极与第二P型MOS管512的漏极连接到第四节点509，成为差分放大器的正输出端；
第一与第二N型MOS管513和514的源极连到第五节点515，第五节点515与第三N型MOS管502的漏极连接；第三N型MOS管502的源极与第四N型MOS管504的漏极连接；
像素单元的输出信号Pix_Out与第一电容501一端连接，第一电容501另一端与第二节点505连接；Ramp信号与第二电容503一端连接，第二电容503另一端与第一节点506连接；
第二节点505连接第一开关507的一端，第一开关507另一端与第四节点509连接；第一节点506连接第二开关508的一端，第二开关508另一端与第三节点510连接；
控制信号S1控制第一与第二开关507和508断开或闭合，第三N型MOS管502的栅极接反馈控制电路的输出信号Col_pwd，用于控制该比较器的功耗。
图5所示只是比较器实现的示例，比较器也可以是其他形式比较器，比如两级差分比较器。其中的差分放大器可以是其他结构的差分放大器，比如cascode结构的差分放大器、两级差分放大器等。
如图6所示，为反馈控制电路的结构示意图，其主要通过与非门608和两个反相器609、612实现；其中：
第一反相器612包括：第三P型MOS管613与第五N型MOS管614；第三P型MOS管613和第五N型MOS管614的栅端连接在一起作为第一反相器612的输入端，连接比较器的输出compout 405；第三P型MOS管613的漏端与第五N型MOS管614的漏端连接在一起作为第一反相器612的输出端，连接节点CKH 610(一个中间节点)；
与非门608包括：第四与第五P型MOS管601与602、以及第六与第七N型MOS管603与604；第四P型MOS管601的栅极与时序控制器的输出COL_EN相连(COL_EN由图1中的时序控制器产生)，漏端与第六节点605相连；第五P型MOS管602的栅极与节点CKH610相连，漏端与第六节点605相连；第四与第五P型MOS管601与602的源端均接VDD；第六N型MOS管603的栅极与时序控制器的输出相连，漏端与第六节点605相连，源端和第七N型MOS管604的漏端相连，第七N型MOS管604的栅极与节点CKH相连；其中，所述第六节点605还与第二反相器609相连；
所述第二反相器609包括：第六P型MOS管606与第八N型MOS管607，其内部结构与所述第一反向器612相同，所述第二反相器609的输出即为反馈控制电路的输出。
图6所示只是反馈控制电路实现的示例，反馈控制电路可以是其他形式的组合逻辑，比如或非逻辑等。
图7为本发明提供的低功耗列电路的控制时序。图7中T1到T6时刻的操作与图3相同，图7中T6时刻COL_EN拉高，一直持续到T9时刻拉低。与图3不同的是，在T8时刻，比较器量化结束，这时通过反馈控制电路反馈一个col pwd的控制信号，关闭了像素单元中读出电路的偏置和比较器电路，这样列电路的功耗就降下来了，从而实现了低功耗功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路，包括比较器与计数器，其特征在于，还包括：反馈控制电路以及相应的控制晶体管；
所述控制晶体管的漏极接像素单元的输出信号，源极接偏置电流管；
所述反馈控制电路的输入分别接比较器的输出和时序控制器的输出，生成的输出信号分别接控制晶体管的栅极与比较器的控制端，以分别控制像素单元的读出电路与比较器的偏置；当列电路量化结束后，利用反馈控制电路的输出信号关闭像素单元的读出电路与比较器；
所述反馈控制电路通过与非门和两个反相器实现；
第一反相器包括：第三P型MOS管与第五N型MOS管；第三P型MOS管和第五N型MOS管的栅端连接在一起作为第一反相器的输入端，连接比较器的输出；第三P型MOS管的漏端与第五N型MOS管的漏端连接在一起作为第一反相器612的输出端，连接节点CKH；
与非门包括：第四与第五P型MOS管、以及第六与第七N型MOS管；第四P型MOS管的栅极与时序控制器的输出相连，漏端与第六节点相连；第五P型MOS管的栅极与节点CKH相连，漏端与第六节点相连；第四与第五P型MOS管的源端均接VDD；第六N型MOS管的栅极与时序控制器的输出相连，漏端与第六节点相连，源端和第七N型MOS管的漏端相连，第七N型MOS管的栅极与节点CKH相连；其中，所述第六节点还与第二反相器的输入端相连；
所述第二反相器包括：第六P型MOS管与第八N型MOS管，其内部结构与所述第一反向器相同，所述第二反相器的输出即为反馈控制电路的输出。
2.根据权利要求1所述的一种用于CMOS图像传感器的低功耗列电路，其特征在于，所述比较器内的放大器通过差分五管放大器实现；
第一与第二N型MOS管组成差分五管放大器的差分输入对；第一与第二P型MOS管组成差分五管放大器的负载管；第三与第四N型MOS管串联作为尾电流源；
第一N型MOS管的栅极连接到第一节点，成为差分放大器的正输入端；第二N型MOS管的栅极连接到第二节点，成为差分放大器的负输入端；第一N型MOS管的漏极与第一P型MOS管的漏极及栅极连接到第三节点，成为差分放大器的负输出端，同时第二P型MOS管的栅极连到第三节点上；第二N型MOS管的漏极与第二P型MOS管的漏极连接到第四节点，成为差分放大器的正输出端；
第一与第二N型MOS管的源极连到第五节点，第五节点与第三N型MOS管的漏极连接；第三N型MOS管的源极与第四N型MOS管的漏极连接；
像素单元的输出信号与第一电容一端连接，第一电容另一端与第二节点连接；Ramp信号与第二电容一端连接，第二电容另一端与第一节点连接；
第二节点连接第一开关的一端，第一开关另一端与第四节点连接；第一节点连接第二开关的一端，第二开关另一端与第三节点连接；
控制信号S1控制第一与第二开关断开或闭合，第三N型MOS管的栅极接反馈控制电路的输出信号，用于控制该比较器的功耗。
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